Je leest:

Zwakke lenswerking verraadt materieverdeling in heelal

Zwakke lenswerking verraadt materieverdeling in heelal

Auteur: | 1 april 2002

Astronomen zijn er in geslaagd een cluster van sterrenstelsels in het heelal te ontdekken en de afstand en massa ervan te bepalen zonder dat zij ook maar iets van die cluster hoefden te zien. Zij maakten uitsluitend gebruik van het effect dat het gravitatieveld van deze – onzichtbare – cluster op de vorm van de beeldjes van zeer grote aantallen sterrenstelsels op de achtergrond heeft. Deze prestatie is een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van de massatomografie, dat wil zeggen het in kaart brengen van de ruimtelijke verdeling van alle – zichtbare en donkere – materie in het heelal.

Het grootste deel van de materie in het heelal zendt (vrijwel) geen straling uit, is dus donker en doet zich hooguit gelden via zijn zwaartekracht. Deze donkere materie speelt een belangrijke rol in de modellen waarmee het ontstaan van de eerste structuren in het heelal worden beschreven en de ontwikkeling en het lot van dit heelal worden voorspeld. Daarom zijn astronomen erg geïnteresseerd in de vraag hoeveel donkere materie zich in het heelal verscholen houdt, hoe die in de ruimte is verdeeld en hoe die verdeling in de loop der tijd is veranderd.

Links: De massaverdeling in een stukje heelal, zoals gemeten via de zwakke lenswerking in een gebiedje ter grootte van de volle maan in het sterrenbeeld Pisces (Vissen). Rechtsonder is het effect van een massaconcentratie te zien. Rechts: Het gebied met hogere dichtheid blijkt samen te vallen met een groep of kleine cluster van sterrenstelsels (binnen het cirkeltje). (Foto’s: Lucent Technologies’ Bell Labs/NOAO/AURA/NSF)

Clusters en superclusters van sterrenstelsels zijn de meest in het oog springende manifestaties van de niet-uniforme verdeling van de materie in het heelal. De massa van zulke clusters kan worden afgeleid uit het zichtbare licht van de sterrenstelsels waaruit zij bestaan of uit de röntgenstraling die door het plasma tussen de stelsels wordt uitgezonden. De meest nauwkeurige manier is echter het meten van hun lenswerking: de mate waarin het gravitatieveld van deze massaconcentraties het licht van sterrenstelsels die er achter staan afbuigt. De zwaartekracht verraadt immers de invloed van alle materie.

Soms is de kosmische lenswerking zo sterk dat er boogvormige of meervoudige afbeeldingen van verre sterrenstelsels door ontstaan. Deze sterke lenswerking treedt vooral op bij relatief grote massaconcentraties. Bij minder zware massa’s worden de beeldjes van objecten op de achtergrond slechts heel weinig vervormd, in de orde van één procent. Doordat sterrenstelsels van zichzelf al verschillende vormen en oriëntaties hebben, kan het effect van deze zwakke lenswerking pas door het statistisch analyseren van grote aantallen beeldjes van achtergrondstelsels aan het licht worden gebracht.

Sinds de eerste metingen van de zwakke lenswerking, in de loop van de jaren negentig, zijn al vele clusters met behulp van deze techniek bestudeerd. Hierbij ging het echter altijd om clusters waarvan het bestaan van te voren al bekend was. In de afgelopen jaren hebben astronomen echter ontdekt dat de zwakke lenswerking in feite overal aan de hemel optreedt. In iedere richting in het heelal blijken verre sterrenstelsels binnen gebiedjes van slechts enkele boogminuten diameter een coherente vervorming te vertonen. Deze cosmic shear is de meest duidelijke manifestatie van de variaties in de dichtheid van de materie in het heelal.

Kosmische lens in Pisces

Anthony Tyson en David Wittman, van de Bell Laboratories in Murray Hill, VS, hebben aangetoond dat men alleen al via deze zwakke lenswerking zowel de afstand als de massa van onzichtbare materieconcentraties kan bepalen. De onderzoekers hadden met de Blanco-telescoop van het Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chili een klein stukje hemel in het sterrenbeeld Pisces (Vissen) in vier kleuren gefotografeerd. De coherente vervorming van 31.000 sterrenstelsels in dit gebiedje bracht toen een duidelijke massaconcentratie aan het licht. Na het samenvoegen van de vier opnamen verscheen op deze positie een groep sterrenstelsels: de vervormende ‘lens’.

Spectroscopische opnamen met één van de twee 10-meter Keck-telescopen op Hawaï lieten zien dat deze lens op een afstand van 3,9 miljard lichtjaar staat. Maar de astronomen hebben de afstand van deze kosmische lens óók op een geheel onafhankelijke manier afgeleid. Zij maakten hierbij gebruik van het feit dat de kleur van de vervormde achtergrondstelsels statistisch gezien een goede maat blijkt te zijn voor hun fotometrische roodverschuiving, ofwel afstand: dat is in de afgelopen jaren door enkele andere onderzoekers ontdekt. Door deze afstanden nu te correleren aan de mate waarin de beeldjes van de stelsels worden vervormd, kon de cluster-lens op precies de juiste positie tussen de achtergrondstelsels en de aarde worden geplaatst.

De astronomen laten zien dat deze onafhankelijk bepaalde afstand vrijwel precies overeenkomt met de spectroscopisch bepaalde afstand. En als de afstand van zo’n kosmische lens eenmaal is bepaald, kan ook zijn massa worden afgeleid, in dit geval dus ook zonder hem zelf te hoeven zien. ‘Als we met deze techniek meer ervaring hebben opgedaan, kunnen we in de toekomst bij wijze van spreken blindelings de verdeling van de totale hoeveelheid materie in het heelal in kaart brengen, onafhankelijk van zijn aard en fysische toestand’, aldus een enthousiaste Anthony Tyson. Via deze ‘driedimensionale massatomografie’ wordt het dan voor het eerst mogelijk te onderzoeken of de massaverdeling in de loop van de evolutie van het heelal is veranderd. En dat is weer van belang om geheel onafhankelijk van de tot nu toe verrichte waarnemingen aan verre supernova’s de theorie van de versnelde uitdijing van het heelal – als gevolg van een mysterieuze ‘donkere energie’ die de zwaartekracht tegenwerkt – te kunnen testen.

Dit artikel is een publicatie van Zenit.
© Zenit, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 01 april 2002

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.