Je leest:

Kosmologen tasten in het duister

Kosmologen tasten in het duister

Auteur: | 23 maart 2007

Donkere materie kun je niet zien, maar wel voelen. Sterrenkundigen zijn er in geslaagd om een driedimensionale kaart te maken van de verdeling van donkere materie in een deel van de kosmos. Het resultaat ondersteunt de gangbare theorieën over de samenstelling en de evolutie van het heelal.

Het was het spraakmakendste nieuws op de winterbijeenkomst van de American Astronomical Society, begin januari in Seattle. Vijfentwintighonderd astronomen brachten nieuwe resultaten naar buiten in tientallen wetenschappelijke sessies en vele honderden posterpresentaties, maar de schijnwerpers van de verzamelde media stonden toch vooral gericht op de jonge Californische astronoom Richard Massey, de eerste auteur van een revolutionaire publicatie in Nature. Samen met een groot internationaal team is Massey erin geslaagd de mysterieuze donkere materie van het heelal in kaart te brengen. ‘Donkere materie vormt het steigerwerk van het heelal,’ zegt hij.

Massey’s 3D-kaart ziet eruit als een rechthoekige doos met blauwe klodders. De doos stelt een klein stukje van het heelal voor; de blauwe klodders en slierten zijn gebieden waar de dichtheid van de donkere materie hoger is dan een bepaalde drempelwaarde – alsof je op een landkaart van Europa de gebieden rood kleurt waar de bevolkingsdichtheid hoger is dan honderd inwoners per vierkante kilometer. Links van de doos moet de aarde gedacht worden; de structuren links in beeld bevinden zich dus op relatief kleine afstand. Rechts zijn structuren te zien op afstanden van een paar miljard lichtjaar, waar sterrenkundigen terugkijken tot een periode toen het heelal nog maar de helft van de huidige leeftijd had. Massey: ‘We zijn er als eersten in geslaagd om donkere materie in kaart te brengen.’

Driedimensionale kaart van de verdeling van donkere materie in een deel van het heelal.

Donkere materie

Donkere materie is de verzamelnaam voor materie die wel zwaartekracht uitoefent op zijn omgeving, maar geen straling produceert. Al in de jaren dertig ontdekten Jan Oort in Nederland en Fritz Zwicky in de Verenigde Staten dat er meer materie in het heelal voor moet komen dan je zo op het eerste gezicht zou zeggen. Sterren in het Melkwegstelsel hebben hogere snelheden dan je zou verwachten, alsof er sterker aan ze getrokken wordt. Hetzelfde geldt voor afzonderlijke sterrenstelsels in clusters. Kennelijk heeft de kosmos geen boodschap aan het gezegde ‘What you see is what you get’.

Kosmologen, die ontstaan, structuur en evolutie van het heelal als geheel bestuderen, weten echter zeker dat die donkere materie niet volledig uit gewone atomen en moleculen kan bestaan. Als de hoeveelheid ‘gewone’ materie zo groot was, zouden de kernfusiereacties die kort na de oerknal plaatsvonden anders hebben verlopen, en zou er veel minder deuterium (zwaar waterstof) in het heelal voorkomen dan nu wordt waargenomen. Dus hoewel er zeker ‘onzichtbare’ wolken van koel gas rondzweven in de intergalactische ruimte, moet het overgrote deel van de donkere materie toch uit onbekende elementaire deeltjes bestaan.

Volgens het huidige ‘standaardmodel’ van de kosmologie is het die mysterieuze donkere materie geweest die in de beginfase van het heelal onder zijn eigen gewicht is gaan samenklonteren tot een zeepsopachtig netwerk van vliezen, slierten en ‘knooppunten’. De ‘gewone’ materie (die niet veel meer is dan een kleine ‘verontreiniging’ in de zee van donkere materie) klonterde natuurlijk gewoon mee, en alleen op plaatsen waar de donkeremateriedichtheid het hoogst was, ontstonden er uit die gewone materie sterrenstelsel zoals ons eigen Melkwegstelsel. Volgens dat scenario moet de donkere materie dus min of meer dezelfde ruimtelijke verdeling te zien geven als de zichtbare sterrenstelsels en clusters in het heelal.

Volgens sterrenkundigen moet de donkere materie net zo door de ruimte verdeeld zijn als de zichtbare sterrenstelsels en clusters in het heelal.

Zwaartekrachtlenzen

Maar hoe breng je iets in beeld wat je niet kunt zien? Simpel: wat je niet kunt zien, kun je soms wel ‘voelen’. Sterrenkundigen mogen dan ‘blind’ zijn voor donkere materie; ze kunnen de zwaartekracht gebruiken als een gevoelige blindenstok. Albert Einstein toonde een kleine eeuw geleden al aan dat licht ook een heel klein beetje wordt afgebogen in een sterk zwaartekrachtsveld, dus door de afbuiging van lichtstralen in het heelal te bestuderen, kun je achterhalen waar de meeste materie in het heelal zich bevindt, of die nu zichtbaar of onzichtbaar is.

Het bestaan van ‘zwaartekrachtlenzen’ mag dan al voorspeld zijn door Einstein; het duurde tot de jaren zeventig voordat de eerste werden ontdekt. Het ging om zware sterrenstelsels die het licht van verder weggelegen quasars afbogen. Quasars zijn de extreem heldere kernen van sterrenstelsels op miljarden lichtjaren afstand. Ze zien eruit als sterren (de naam ‘quasar’ is een samentrekking van ‘quasi-stellar’), maar door de zwaartekracht van een naderbij gelegen ‘lensstelsel’ worden die sterbeeldjes versterkt en opgesplitst, zodat je meerdere beeldjes van dezelfde quasar ziet, alsof je een verre lichtbron bekijkt door bobbeltjesglas.

In de jaren tachtig werden ook zwakke ‘lichtbogen’ ontdekt, die ontstaan door de zwaartekrachtswerking van complete clusters van sterrenstelsels. Het licht van achtergrondstelsels wordt door de zwaartekracht van een cluster vervormd (en versterkt), waardoor de beeldjes van die stelsels uitgerekt worden tot langgerekte sliertjes. Uit die vervormingen kun je afleiden hoeveel zwaartekracht er in de cluster werkzaam moet zijn, en op die manier bleek eens te meer dat clusters grotendeels uit donkere materie moeten bestaan: het zwaartekrachtsveld is veel sterker dan je zou verwachten op grond van de waargenomen sterrenstelsels in de cluster.

De zwaartekracht van een groep sterrenstelsels kan licht van zwakke, verder gelegen stelsels afbuigen en bundelen als een vergrootglas. Einstein’s algemene relativiteitstheorie voorspelt het bestaan van zulke ‘zwaartekrachtslenzen’.

Zwakke lenswerking

Meervoudige quasarbeeldjes en lichtbogen zijn extreme vormen van zwaartekrachtlenswerking. Maar ook wanneer het licht van een ver sterrenstelsel door een zwakker zwaartekrachtsveld beweegt, of op enige afstand langs een materieconcentratie reist, is er sprake van een geringe vervorming, enigszins vergelijkbaar met de vervorming van objecten aan de randen van een cameralens. Door die ‘zwakke lenswerking’ over een groot deel van de hemel op te meten, kun je dus achterhalen hoe de zwaartekracht in het heelal is verdeeld. En aangezien zichtbare materie maar voor een paar procent van die zwaartekracht verantwoordelijk is, breng je op die manier vooral de verdeling van donkere materie in kaart.

Maar hoe meet je een extreem geringe vervorming van een zwak, ver verwijderd sterrenstelsel op? Sterrenstelsels hebben zelf uiteenlopende vormen, dus hoe weet je wanneer de waargenomen vorm het gevolg is van zwakke lenswerking? ‘Dat lukt alleen dankzij statistische methoden,’ legt Richard Ellis van het California Institute of Technology uit. Ellis is lid van het Cosmos-team, dat aangevoerd wordt door zijn collega Nick Scoville, en waarvan ook Richard Massey deel uitmaakt. ‘Sterrenstelsels hebben uiteenlopende vormen, maar wanneer je heel veel beeldjes bij elkaar optelt, moet er een rond gemiddelde uitkomen,’ zegt Ellis. ‘Afwijkingen van een rond gemiddelde duiden op zwakke lenswerking.’

Het zal duidelijk zijn: om zwakke lenswerking op het spoor te komen, moet je enorm veel sterrenstelsels waarnemen en opmeten. Binnen het Cosmos-project waren dat er niet minder dan vijfhonderdduizend, verspreid over een gebiedje aan de hemel dat ongeveer even groot is als acht volle manen. Met de Advanced Camera for Surveys van de Hubble Space Telescope (die een relatief klein beeldveld heeft) zijn in de loop van 2005 en 2006 honderden langebelichte opnamen van dit stukje sterrenhemel gemaakt. En van alle gefotografeerde achtergrondstelseltjes is zo nauwkeurig mogelijk de vorm opgemeten.

De Hubble ruimtetelescoop. _bron: NASA / StSci.

Klik op de afbeelding voor een grotere versie._

3D-informatie

Op die manier kom je er dus achter hoe de donkere materie aan de hemel verdeeld is. Maar op zich is dan nog niet bekend of zo’n concentratie van donkere materie zich op kleine afstand bevindt, of juist op heel grote afstand. Daar heeft het Cosmos-team echter ook iets op gevonden. Met grote telescopen op de grond (waaronder de Japanse Subaru-telescoop en de Amerikaanse Keck-telescoop, beide op Hawaii, en de Europese Very Large Telescope in Chili) zijn alle vijfhonderdduizend sterrenstelsels door verschillende filters gefotografeerd. Uit de resulterende kleurinformatie kan met redelijke nauwkeurigheid de afstand worden afgeleid: hoe groter de afstand, des te langer is het licht van het stelsel naar ons onderweg, en des te sterker zullen de lichtgolven worden opgerekt door de uitdijing van het heelal. Daardoor ontstaat een kleurverschuiving: verre stelsels zijn roder dan nabije stelsels.

Wanneer je nu alleen de vervormingen bekijkt van de sterrenstelsels die dichterbij staan dan twee miljard lichtjaar, dan kom je natuurlijk alleen donkerematerieconcentraties op het spoor die zich op afstanden van minder dan twee miljard lichtjaar bevinden. Onderzoek je de vervormingen van sterrenstelsels tot vier miljard lichtjaar, dan krijg je informatie over de verdeling van donkere materie tot op díe afstand. Zo werd het onderzochte deel van het heelal (dat een ‘diepte’ van ongeveer zeven miljard lichtjaar had) in verschillende stukken opgesplitst, vertelt Scoville.

Om tot de fraaie driedimensionale kaart te komen, legt hij uit, moesten vervolgens nog wat slimme trucjes worden uitgehaald. Zo is bekend dat de vorm van een sterrenstelsel het sterkst wordt beïnvloed door een materieconcentratie die zich ongeveer halverwege het verre stelsel en de aarde bevindt. Donkere materie op bijna even grote afstand als het waargenomen stelsels zelf, of donkere materie heel dicht bij de aarde, heeft een veel minder sterke invloed. Door ook met dat effect rekening te houden, kon een ruwe 3D-kaart worden vervaardigd.

Volgens Massey komt de verdeling van donkere materie in grote lijnen overeen met de verdeling van zichtbare materie in het heelal, precies zoals je zou verwachten. Dat is op zich een mooie ondersteuning voor het kosmologische standaardmodel, waarin zo’n vijfentachtig procent van alle materie in het heelal uit onbekende deeltjes bestaat. ‘Maar,’ geeft hij toe, ‘er zijn ook wel wat ongerijmdheden. Het lijkt erop dat er filamenten van donkere materie zijn waarin geen zichtbare materie voorkomt. En er komen zo op het eerste gezicht ook concentraties van sterrenstelsels voor op plaatsen waar geen grote hoeveelheden donkere materie lijken te zijn.’

Links de zichtbare, rechts de donkere materie in het heelal volgens de analsye van Richard Massey. _bron: R. Massey / NASA / StSci.

Klik op de afbeelding voor een grotere versie._

Donkere energie

Toekomstige metingen, met een nog veel grotere precisie, zullen hopelijk uitsluitsel geven over deze mogelijke afwijkingen. Het is heel goed mogelijk dat er sprake is van systematische fouten, die in de toekomst voorkomen of omzeild kunnen worden. Per slot van rekening blijft er sprake van een statistische methode. Maar volgens Tony Tyson van de Universiteit van Californië in Davis is het resultaat van Massey en zijn collega’s een duidelijk bewijs van het potentiële belang van zwakke lenswerking. Tyson opperde een kwart eeuw geleden al dat je met behulp van zakke lenswerking de verdeling van donkere materie in kaart kon brengen, en heeft dat de afgelopen jaren op beperkte schaal ook een aantal keren aangetoond. ‘Dankzij de enorme beeldscherpte van de Hubble-telescoop is het Cosmos-resultaat echter veel betrouwbaarder,’ zegt hij.

Wat overigens niet wil zeggen dat soortgelijke waarnemingen in de toekomst alleen vanuit de ruimte gedaan kunnen worden. Aardse telescopen moeten weliswaar langer belichten om de vorm van verre sterrenstelsels vast te leggen, maar ze zijn veel goedkoper in het gebruik, en er zijn er ook méér van. Bovendien hebben Amerikaanse sterrenkundigen een nieuwe telescoop op de tekentafel liggen met een extreem groot beeldveld, waarmee de gehele sterrenhemel twee keer per week gefotografeerd wordt. Die 8,4-meter Large Synoptic Suvrey Telescope (LSST), die op Cerro Pachón in Chili gebouwd moet worden, komt uit de koker van Tyson, en werd oorspronkelijk de Dark Matter Telescope genoemd, juist omdat hij geknipt is voor onderzoek aan zwakke lenswerking.

De Large Synoptic Suvrey Telescope (LSST). bron: LSST.

De financiering van de LSST is helaas nog niet volledig rond, maar Tyson (die directeur is van het project) vertrouwt erop dat het nieuwe instrument over vijf of zes jaar volop in bedrijf zal zijn. Uiteindelijk zal zwakke lenswerking over de gehele sterrenhemel in kaart worden gebracht, verwacht ook Cosmos-teamlid Jason Rhodes van NASA’s Jet Propulsion Laboratory. ‘Als dat lukt, komen we misschien ook meer te weten over de mysterieuze donkere energie in het heelal,’ zegt hij. Donkere energie – een raadselachtige ‘anti-zwaartekracht’ in de lege ruimte –veroorzaakt de versnellende uitdijing van het heelal die een kleine tien jaar geleden werd ontdekt.

Volgens Rhodes is het samenklonteringsproces van de donkere materie een constante strijd geweest tussen de zwaartekracht en de donkere energie. Als de 3D-verdeling van de donkere materie nauwkeurig in kaart is gebracht, is het resultaat van die machtsstrijd bekend, en valter dus misschien ook meer te zeggen over de eigenschappen van de donkere energie. Want hoe opzienbarend de nieuwe Cosmos-resultaten ook zijn, feit blijft dat sterrenkundigen en kosmologen geen flauw idee hebben van de ware aard van de donkere materie en de donkere energie, die verreweg de belangrijkste bestanddelen van het heelal vormen.

Zie ook:

Dit artikel is een publicatie van Allesoversterrenkunde.nl.
© Allesoversterrenkunde.nl, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 23 maart 2007
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.