Je leest:

Onzichtbaar skelet draagt bijna alle sterren

Onzichtbaar skelet draagt bijna alle sterren

Auteur: | 15 januari 2007

Donkere materie is onzichtbaar, maar haar aanwezigheid is wel te meten. De eerste 3D-kaart lijkt een goudmijn. Her en der komen donkere en normale materie los van elkaar voor.

Richard Massey loopt wat verdwaasd rond in de press room van de American Astronomical Society (AAS) in Seattle. Zo veel media-aandacht is hem nog nooit ten deel gevallen. Maandenlang heeft de 29-jarige postdoc uit Cambridge samen met zijn collega’s van het COSMOS-project aan de Nature-publicatie gewerkt, en dan staat het nieuws opeens overal op internet, een halfuur na de persconferentie die het team zondag 7 januari gaf op de winterbijeenkomst van de AAS. ‘Ik sta er enorm van te kijken,’ zegt hij. ‘Dit had ik niet verwacht.’

Misschien had Richard Ellis, een doorgewinterde kosmoloog van het California Institute of Technology (Caltech) in Pasadena, zijn jongere collega wat beter moeten voorbereiden. Ellis, die wel vaker met dit bijltje heeft gehakt, is absoluut niet verbaasd over alle publiciteit. ‘Dit is een enorm opwindend resultaat,’ zegt hij. ‘Voor het eerst hebben we een duidelijk beeld van de manier waarop donkere materie in de loop van de tijd is samengeklonterd.’ Wat nog mooier is: dat beeld komt goed overeen met de gangbare theorieën over de vorming van clusters van sterrenstelsels.

3D-kaart van de verdeling van donkere materie in een deel van het heelal. Van links naar rechts reizen we terug in de tijd: in het recente verleden (links) is de donkere materie opgebroken in clusters, terwijl miljarden jaren daarvoor (rechts) de donkere materie één grote massa vormde. bron: NASA / ESA / Massey. Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

Volgens die theorieën bestaat 85 procent van alle materie in het heelal niet uit gewone atomen en moleculen, maar uit onbekende elementaire deeltjes die wel massa hebben, maar geen straling produceren. Die mysterieuze donkere materie moet kort na de oerknal zijn gaan samenklonteren in een sponsachtig netwerk van grote concentraties, onderling verbonden door langgerekte slierten. Alleen op plaatsen waar de dichtheid van de donkere materie hoog genoeg is, hoopte ook de gewone materie zich voldoende op voor de vorming van sterrenstelsels.

Als de theorie klopt, moet de donkere materie in grote lijnen dus dezelfde ruimtelijke verdeling te zien geven als de zichtbare sterrenstelsels. Het 3D-patroon van sterrenstelsels is vrij goed bekend, maar hoe bepaal je de verdeling van iets wat je niet kunt zien? Het antwoord op die vraag werd een kwart eeuw geleden al gegeven door astrofysicus Tony Tyson: zwakke lenswerking. De zwaartekracht van donkere materie buigt het licht van verre sterrenstelsels een heel klein beetje af, en als je de subtiele vervormingen van die stelsels opmeet, kun je de verdeling van de donkere materie in kaart brengen.

Kaart van de normale en donkere materie in de cluster Cl0024+1654, gemaakt met de Hubble Space Telescope. In blauw de halo van donkere materie en in rood de normale, lichtgevende materie. bron: ESA, NASA en Jean-Paul Kneib (Observatoire Midi-Pyrénées, Frankrijk/Caltech, VS)

Maar dat is makkelijker gezegd dan gedaan, en in de jaren tachtig van de vorige eeuw was zoiets alleen mogelijk op papier. De astronomen van het COSMOS-project (tachtig wetenschappers in zeventien landen) hebben vele weken lang gebruik gemaakt van de grootste telescopen op aarde en in de ruimte, om in totaal een slordige vijfhonderdduizend zwakke sterrenstelselbeeldjes op te meten. Alleen dankzij zo’n gigantische steekproef kon een statistisch betrouwbare uitspraak gedaan worden over de verdeling van donkere materie aan de hemel. ‘Dit is het grootste waarnemingsprogramma dat ooit is uitgevoerd met de Hubble Space Telescope,’ zegt teamlid Nick Scoville van Caltech. ‘Twee jaar lang hebben we tien procent van de beschikbare waarnemingstijd opgebruikt.’

Door ook de afstanden tot de onderzochte sterrenstelsels mee te nemen in de analyse, was het tot op zekere hoogte zelfs mogelijk om de afstanden van de donkerematerieconcentraties te achterhalen. Niet heel precies, maar nauwkeurig genoeg om te zien dat de donkere materie op grote afstand minder sterk is samengeklonterd dan op kleinere afstanden. En omdat je op een grote afstand terugkijkt naar een vroegere periode in de kosmische geschiedenis, krijg je zo een mooi beeld van de evolutie van de groteschaalstructuur van het heelal.

Wrak van sterrenstelsels

De Bullet Cluster heeft de naam de op één na grootste explosie in het heelal te zijn. Twee groepen van sterrenstelsels raceten daar op elkaar af en beukten miljarden jaren geleden op elkaar. Terwijl het gas en de sterren van normale materie (rood) botsten en hun snelheid omzetten in een explosie, zweefden de halo’s van donkere materie (blauw) doodleuk door de botsing heen. Donkere materie reageert nou eenmaal niet direct op normaal materiaal, ook niet op een frontaal aanstormende melkweg. Nu, lang na de botsing, zijn donkere en normale materie in de regio uit elkaar geraakt. Links en rechts van de zichtbare Bullet Cluster bewegen de originele wolken van donkere materie nog in hun oorspronkelijke richting door. Met hun zwaartekracht, liet Clowe’s team zien, verstoren ze het licht van nog verder gelegen sterrenstelsels. (bron: J. Wise, M. Bradac, Stanford / KIPAC) Klik op de afbeelding voor een grotere versie.

De COSMOS-resultaten komen in grote lijnen overeen met theoretische voorspellingen. ‘Donkere materie blijkt inderdaad een soort kosmisch steigerwerk te vormen,’ zegt Massey. Op dit donkere ‘skelet’ is de zichtbare materie van sterren en sterrenstelsels verdeeld. Volgens teamlid Jason Rhodes van NASA’s Jet Propulsion Laboratory in Pasadena kunnen dit soort waarnemingen ooit licht werpen op de al even mysterieuze donkere energie – een soort antizwaartekracht van de lege ruimte. ‘De vorming van clusters is een constante strijd geweest tussen de zwaartekracht en de donkere energie,’ aldus Rhodes. ‘Als we de zwakke lenswerking van de hele sterrenhemel in kaart brengen, komen we misschien meer te weten over de ware aard van de donkere energie.’

Dat zal echter nog wel even op zich laten wachten, aldus Tony Tyson. ‘Ik ben enorm enthousiast over dit resultaat,’ zegt de geestelijk vader van de zwakke lenswerking, ‘en de 3D-kaart van de verdeling van donkere materie die het COSMOS-team heeft geproduceerd vind ik prachtig, maar om de hele sterrenhemel zo gedetailleerd te bestuderen, heb je grote telescopen op aarde nodig.’ Tyson is directeur van de Large Synoptic Survey Telescope (LSST), een toekomstige 8,4-meter telescoop die in 2013 gereed moet zijn en die met zijn grote beeldveld en supergevoelige camera geknipt is voor die klus.

Dan wordt misschien ook duidelijk of er toch niet wat geschaafd moet worden aan de theorieën. Want de 3D-kaart van het COSMOS-project bevat ook wel een paar ongerijmdheden, geeft Richard Massey toe. Hier en daar lijken grote wolken van donkere materie voor te komen waar geen sterrenstelsels te vinden zijn. En er zijn ook concentraties van sterrenstelsels die niet ingebed lijken te liggen in een halo van donkere materie. ‘Dat laatste is ronduit verontrustend,’ aldus Tyson. ‘Als er inderdaad sterrenstelsels zijn ontstaan op plaatsen waar geen donkere materie is, hebben de theoretici een groot probleem.’

Dit artikel verscheen eerder in de Volkskrant van 13 januari 2007.

Meer over donkere materie

Dit artikel is een publicatie van Allesoversterrenkunde.nl.
© Allesoversterrenkunde.nl, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 januari 2007

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.