Je leest:

Sterrenkundigen gaan diepte zien

Sterrenkundigen gaan diepte zien

Auteur: | 8 januari 2005

Sterrenkundigen krijgen de beschikking over steeds geavanceerdere telescopen, waarmee verder en verder het heelal in kan worden gekeken. Toch kost het nog steeds veel moeite om de afstanden tot de verste melkwegstelsels te bepalen. Nog niet zo lang geleden was ons beeld van het heelal bijna zo plat als een kaart van Nederland: weliswaar kon in veel gevallen worden gezegd dat het ene stelsel (veel) verder weg stond dan het andere, maar hoe ver precies was lange tijd onduidelijk. De grootschalige surveys van de afgelopen jaren brengen daar langzamerhand verandering in.

Stel je staat op de toren van de Grote Kerk en kijkt naar de stad Den Haag. Het kost dan weinig moeite om in te zien welke gebouwen dichtbij zijn en welke verder weg. Van de meest nabije gebouwen kan zelfs een redelijke schatting van hun afstand worden gemaakt. En met een beetje driehoeksmeting lukt dat ook nog wel met de wat verder weg gelegen bouwwerken. Maar hoe dichter je bij de horizon komt, des te moeilijker wordt het om afstanden te schatten. De enige oplossing is dan: de trap af en er naartoe gaan.

Medewerkers aan de SDS-survey tonen een reusachtige afdruk van de eerste hemelstrook die in 1998 in kaart werd gebracht. De survey moet uiteindelijk resulteren in een driedimensionale kaart van een miljoen melkwegstelsels. (bron: Fred Ullrich, Fermilab)

In de sterrenkunde is het niet veel anders. Vanuit hun grote sterrenwachten op droge, hoge bergtoppen kunnen astronomen het gehele heelal overzien. Van de meest nabije melkwegstelsels is al geruime tijd de afstand redelijk goed bekend. Maar verder weg gaat men een beetje de mist in.

De meeste melkwegstelsels staan erg ver weg en zijn daardoor erg lichtzwak. Terwijl dat licht nu juist datgene is wat sterrenkundigen in staat stelt om afstanden te meten: van de toren af klimmen en er naartoe gaan is er nu eenmaal niet bij. Wanneer het dan eindelijk lukt om zo’n afstand te meten, ben je eigenlijk nog nergens. Want er zijn honderden miljarden melkwegstelsels… onbegonnen werk. Of toch niet?

Kosmische meetlat

De belangrijkste meetlat voor het bepalen van de grootste afstanden in het heelal is de zogeheten roodverschuiving, die een rechtstreeks gevolg is van de uitdijing van het heelal. Deze uitdijing, alweer meer dan zeventig jaar geleden ontdekt door de Amerikaanse astronomen Edwin Hubble en Milton Humason, heeft bijzondere consequenties. Niet alleen lijken (vrijwel) alle melkwegstelsels van ons weg te bewegen, hun snelheid is ook groter naarmate hun afstand groter is. Een stelsel op een tweemaal zo grote afstand beweegt dus ook tweemaal zo snel van ons vandaan.

Snelheidsmetingen aan melkwegstelsels zijn betrekkelijk eenvoudig uit te voeren, zo lang men maar wat licht kan opvangen – hoe meer des te beter. Hoe sneller een object beweegt, des te verder worden zijn lichtgolven onderweg naar de aarde door de uitdijing van het heelal ‘uitgerekt’. Wat als kortgolvige ultraviolette straling is uitgezonden, kan bij aankomst op aarde bijvoorbeeld in zichtbaar licht zijn veranderd: hoe groter de verschuiving in golflengte, des te groter de snelheid en dus ook de afstand.

Met behulp van deze roodverschuiving worden al vele jaren afstanden van melkwegstelsels gemeten. Medio jaren zeventig ontdekte men daarbij dat deze stelsels niet gelijkmatig over de ruimte zijn verdeeld. Melkwegstelsels zijn gegroepeerd in lange linten en vlakken die zich over afstanden van honderden miljoenen lichtjaren kunnen uitstrekken.

Deze groeperingen – die clusters en superclusters worden genoemd – worden van elkaar gescheiden door reusachtige ‘bellen’ van vrijwel lege ruimte. Eigenlijk kun je de verdeling van melkwegstelsels in het heelal nog het beste vergelijken met zeepsop, waarbij de wanden van de zeepbellen uit melkwegstelsels bestaan.

Computermodel van de verdeling van materie in het heelal, toen dit nog slechts twee miljard jaar oud was. In de gebieden waar de gasdichtheid het grootst was (geel) zijn de meeste en grootste melkwegstelsels ontstaan. De materieverdeling die uit berekeningen als deze volgt, blijkt in goede overeenstemming te zijn met de verdeling van melkwegstelsels in het huidige heelal. (bron: Tom Theuns, MPI)

De eerste aanwijzingen voor deze ‘zeepbelstructuur’ werden in 1986 gevonden bij de zogeheten CfA-survey. Bij deze survey werden in eerste instantie de posities en roodverschuivingen van ruim duizend melkwegstelsels gemeten.

De verste van deze stelsels waren niet meer dan 500 miljoen lichtjaar van ons verwijderd – ter vergelijking: de verste stelsels in het heelal hebben afstanden van 13 miljard lichtjaar of daaromtrent – en het was bovendien maar een kleine steekproef. Maar het kostte al moeite genoeg om de benodigde snelheidsmetingen te verrichten. Zelfs drie jaar later waren nog maar een paar duizend stelsels in kaart gebracht.

Robot

Maar de techniek schrijdt voort, en daar profiteren ook de astronomen van. Wat aanvankelijk nog een kwestie was van het één voor één meten van melkwegstelsels, is in de loop der jaren steeds verder geautomatiseerd.

De surveys van de afgelopen jaren leveren geen honderden of duizenden afstandsbepalingen op, maar honderdduizenden of soms wel een miljoen. De steekproef wordt daarmee steeds nauwkeuriger en van de min of meer nabije omgeving zijn de kaarten zelfs al aardig compleet, al is van nog lang niet alle melkwegstelsels nu ook de afstand bekend.

Een van de grootste projecten, dat tegen zijn einde loopt, is de 2dF-survey van de Anglo-Australian Survey in het oosten van Australië (2dF staat voor two-degree field – beeldveld van twee graden oftewel vier bij vier ‘volle manen’). Eind dit jaar hopen de sterrenkundigen van dit project de complete gegevens van 250.000 melkwegstelsels bekend te maken, maar op 30 juni aanstaande wordt al een eerste ‘oogst’ van 100.000 stelsels vrijgegeven.

Bij de Australische volkstelling onder de melkwegstelsels wordt gebruik gemaakt van een geautomatiseerd telescoopsysteem. Met behulp van vierhonderd glasvezels wordt het zwakke schijnsel van evenzovele melkwegstelsels naar een spectroscoop geleid, waarmee hun roodverschuivingen dan gelijktijdig kunnen worden gemeten. Een computergestuurde robot plaatst de glasvezels zodanig dat ze ook werkelijk het licht van een melkwegstelsel opvangen, en verplaatst ze als de telescoop weer op een volgend stukje hemel wordt gericht. Monnikenwerk is robotwerk geworden.

De 2dF-survey moet resulteren in de meest complete driedimensionale kaart van het heelal tot nu toe. Maar zelfs deze heeft ‘maar’ een bereik van ruwweg 2,5 miljard lichtjaar en omvat bovendien slechts een paar stukken hemel. De kaart is dus verre van compleet. Toch zijn de astronomen blij met de verzamelde gegevens, want als je een kwart miljoen stelsels in kaart brengt, kom je natuurlijk allerlei interessante exemplaren tegen.

‘Van vele zeldzame soorten objecten hebben we flinke aantallen nodig voor we iets van hun eigenschappen kunnen begrijpen,’ aldus een van de 2dF-teamleiders Matthew Colless. ‘Radiotelescopen bijvoorbeeld zijn heel goed in het detecteren van de enorm ’actieve’ melkwegstelsels in het verre heelal. Maar om te begrijpen hoe deze stelsels in de loop der tijden zijn geëvolueerd, zullen we ook over een flinke steekproef van nabije exemplaren moeten beschikken.’

Zoeken naar materie

Een van de belangrijkste conclusies die nu al uit de 2dF-survey kunnen worden getrokken is dat kleine onregelmatigheden in de verdeling van clusters en superclusters van melkwegstelsels sterke overeenkomsten vertonen met de onregelmatigheden in de kosmische achtergrondstraling – de alom aanwezige gloed van radiostraling die een overblijfsel is van de oerknal.

Dat duidt erop dat de materieverdeling kort na het ontstaan van het heelal soortgelijke dichtheidsverschillen vertoonde als die in het huidige heelal. Uit de 2dF-gegevens zou blijken dat de materie in het heelal voor minder dan vijf procent uit normale materie bestaat. De rest zou een mengsel zijn van donkere materie (15%) en ‘donkere energie’ (80%), waarvan tot op heden niet duidelijk is wat dat precies is.

Het zit de astronomen dus niet mee: het heelal is al zo groot en bestaat blijkbaar ook nog voor 95 procent uit materie en energie die zich tot nu toe niet laat onderzoeken. Het enige dat nu wel vast lijkt te staan is dat het heelal eeuwig zal blijven uitdijen. Want de bijdrage van zichtbare en donkere materie is in elk geval veel te gering om de huidige uitdijing – die ook nog eens lijkt te versnellen – tegen te houden.

Op naar de miljoen!

De 2dF-resultaten lijken in goede overeenstemming te zijn met andere onderzoeken die zich op de diepten van het heelal richten. De grootste van allemaal is de Sloan Digital Sky Survey (SDS), die tot doel heeft de posities en helderheden van maar liefst 100 miljoen hemelobjecten, verspreid over ongeveer een kwart van de hemelbol, te meten. Van een miljoen melkwegstelsels zal daarbij ook de afstand worden bepaald. Het project, dat in 1998 is gestart, is nu pas voor ongeveer vijf procent voltooid.

Het bereik van de SDS-survey is groter dan dat van 2dF – ongeveer 5 miljard lichtjaar – maar op die grote afstanden zullen alleen de helderste melkwegstelsels kunnen worden gemeten. Zo af en toe komt ook een extreem ver exemplaar uit de koker, zoals onlangs een zogeheten quasar (in feite niets anders dan de extreem heldere kern van een jong melkwegstelsel) die zich op minder dan 1 miljard lichtjaar van de rand van het zichtbare heelal bevindt.

De tot nu toe meest complete kaart van het ons omringende heelal is die van de 2MASS-survey van de universiteit van Massachusetts. De kaart beslaat de hele hemelbol, maar bevat geen afstandsinformatie over ongeveer één miljoen afgebeelde melkwegstelsels. (bron: UMass)

Veel verder zal geen enkele survey kunnen komen, want het licht van deze quasar is vertrokken toen in het heelal nog maar net de eerste melkwegstelsels waren ontstaan. Wie nog verder het heelal in kijkt, en dus verder naar het verleden, krijgt weinig meer te zien.

Dit artikel is een publicatie van Astronieuws.
© Astronieuws, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 08 januari 2005
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.