De meest gangbare theorie over de vorming van sterrenstelsels voorspelt dat de eerste stelsels in het vroege heelal klein en lichtzwak waren. Maar dat is niet wat de James Webb-ruimtetelescoop ziet.
Vlak na de oerknal bestond het heelal uit een hete soep van subatomaire deeltjes. Terwijl het heelal uitdijde, koelde het af en combineerden deze deeltjes tot atomen. Die klonterden samen, onder invloed van de zwaartekracht. Uiteindelijk ontstonden hieruit de gaswolken, sterren, planeten en sterrenstelsels die we nu ons om heen zien.
In grote lijnen is dat waarschijnlijk hoe het heelal vorm kreeg. Maar hoe dit proces precies verliep is nog niet zeker. Vier astrofysici hebben nu waarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop vergeleken met voorspellingen van twee theorieën over de stelselvorming. De populaire donkere-materietheorie blijkt daarbij het onderspit te delven. Hun resultaten verschenen in het vakblad The Astrophysical Journal.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
De eerste sterrenstelsels blijken namelijk veel groter en helderder dan verwacht. Dit past beter bij een alternatieve theorie genaamd MOND (MOdified Newtonian Dynamics ‘aangepaste newtoniaanse dynamica’), die alternatieve zwaartekrachtwetten voorstelt om zonder donkere materie waarnemingen aan sterren en sterrenstelsels te verklaren.
Donkere materie
De populairste theorie om deze evolutie van het vroege heelal te beschrijven, is het zogeheten Lambda-CDM-model. Dit model gaat ervan uit dat het recept voor het heelal drie ingrediënten kent: gewone materie (zoals de atomen waaruit wij bestaan), donkere materie (hypothetisch, nog nooit waargenomen spul) en donkere energie (hypothetische vorm van energie die zorgt voor de versnelde uitdijing van het heelal).
Het Lambda-CDM-model voorspelt dat sterrenstelsels langzaam ontstonden. Eerst zouden zich kleine sterrenstelsels vormen die geleidelijk samensmelten tot grotere stelsels, onder invloed van de extra zwaartekracht van de hypothetische donkere materie. Dit proces zou miljarden jaren duren, mailt astrofysicus Stacy McGaugh van de Case Western Reserve University. ‘Daarom hadden we verwacht dit samensmelten van kleine, lichtzwakke protostelsels te zien met de Webb-telescoop.’
Grote en heldere sterrenstelsels
Maar de James Webb-ruimtetelescoop, waarmee sterrenkundigen kunnen terugkijken tot enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal, zag iets anders. Al een paar honderd miljoen jaar na de oerknal lijken er verrassend grote en heldere sterrenstelsels te bestaan. Dit wijst erop dat de sterrenstelsels sneller ontstaan dan verwacht. En het lijkt waarschijnlijk dat ze groot geboren worden, uit grote samentrekkende gaswolken, en dus niet ontstaan door het samensmelten van een heleboel kleine stelsels.
Dit lijkt beter overeen te komen met het donkere-materieloze MOND-model. Volgens dit model is de zwaartekracht op deze grote schaal sterker dan volgens de huidige theorieën (van Newton en Einstein).
‘Daardoor gaat alles sneller’, zegt McGaugh. Het gas dat een groot stelsel kan vormen, komt sneller samen en vormt sneller sterren. ‘Bob Sanders van de Rijksuniversiteit Groningen was de eerste die berekende dat dit betekent dat de vorming van sterrenstelsels volgens MOND ongeveer 500 miljoen jaar zou duren. Dat is lang voor jou en mij, maar het is veel sneller dan de miljarden jaren die Lambda-CDM voorspelt. Wat de Webb-telescoop nu waarneemt is precies wat Sanders jaren geleden voorspelde met behulp van MOND.’
Meer MOND
‘Het is een actueel en belangrijk onderzoek dat de verwachtingen tegen elkaar afzet over hoe snel sterrenstelsels zich vormen volgens donkere-materiemodellen en MOND-modellen’, zegt astrofysicus Pavel Kroupa van de Universiteit van Bonn, die niet betrokken was bij dit onderzoek. ‘En het toont aan dat het Lambda-CDM-model het bestaan van de vroege, grote stelsels niet kan verklaren. Daarmee is het de meest recente in een reeks van zaken die dit populaire model niet kan verklaren.’
Volgens Kroupa is het nog niet duidelijk of de vorming van sterrenstelsels zoals voorspeld door MOND wel helemaal klopt. ‘MOND zegt weliswaar dat stelsels veel sneller vormen, maar op dit moment zijn de simulaties van MOND-modellen nog niet gedetailleerd genoeg om ze te kunnen vergelijken met waarnemingen. Dat komt doordat er weinig onderzoekers werken aan MOND.’
Een ander bezwaar is dat MOND een uitbreiding is van de Newtoniaanse zwaartekrachttheorie, en niet van Einsteins algemene relativiteitstheorie, zegt McGaugh. Einsteins theorie is op dit moment de beste zwaartekrachttheorie, en is veelvuldig succesvol getest. Dit betekent dat er een grotere theorie zou moeten komen die zowel de algemene relativiteitstheorie als MOND omvat.
Ondanks het feit dat MOND dus verder ontwikkeld moet worden, groeit de stapel met succesvolle voorspellingen, volgens McGaugh. ‘Het verrassende voorspellende succes van MOND is belangrijk’, zegt hij. ‘Het vertelt ons iets nieuws. Maar totdat we begrijpen wat dat is, zal het veld blijven steken in een sleur waarin tevergeefs gezocht wordt naar de onzichtbare massa genaamd donkere materie.’
