Japanse onderzoekers hebben de verdeling van donkere materie in kaart gebracht rondom 12 miljard jaar oude sterrenstelsels. De wetenschappers maakten hiervoor gebruik van zwaartekrachtlenzen en de kosmische achtergrondstraling.

We zijn ongeveer 85 procent van het heelal ‘kwijt’. Slechts 15 procent van alle materie kunnen we waarnemen met onze meetinstrumenten. De rest is onzichtbaar doordat het geen meetbare straling uitzendt. Maar we weten dat het er moet zijn, omdat de zwaartekracht ervan de bewegingen van sterren en sterrenstelsels zichtbaar beïnvloedt. Dit mysterieuze, onvindbare spul noemen we donkere materie.

Het lijkt erop dat er om de meeste sterrenstelsel een soort halo van donkere materie hangt. De zwaartekracht hiervan houdt de sterren in het sterrenstelsel bij elkaar. Zonder de halo zouden de buitenste sterren, door de snelheid waarmee het stelsel ronddraait, het heelal in geslingerd worden.

‘Ik heb aan 30 procent van de informatie genoeg om een besluit te nemen’
LEES OOK
‘Ik heb aan 30 procent van de informatie genoeg om een besluit te nemen’

Japanse onderzoekers hebben nu donkeremateriehalo’s onderzocht uit een periode dat het heelal nog jong was. Dit onderzoek heeft twee onderliggende redenen. ‘Allereerst willen we weten hoe (de eerste) sterrenstelsels vormen in gebieden met een hoge dichtheid van donkere materie’, mailt kosmoloog Hironao Miyatake van de Nagoya-universiteit in Japan. ‘Verder willen we weten hoe de structuur van het heelal is veranderd van de oerknal tot nu.’

Donkere halo’s

De enige manier waarop astronomen donkeremateriehalo’s kunnen bestuderen, is door te meten welke invloed hun zwaartekracht heeft op de omgeving. Dat is precies wat de Japanse astronomen nu gedaan hebben voor de donkere materie rondom (en in) sterrenstelsels die 12 miljard jaar geleden, nog geen twee miljard jaar na de oerknal, ontstonden. Om zo ver terug in de tijd te kijken gebruiken ze het ruimtetijd-krommende effect van zwaartekracht, de overgebleven achtergrondstraling van de oerknal en een krachtige telescoop.

Het is mogelijk om terug in de tijd te kijken. Dat komt doordat licht beweegt met een snelheid van bijna 300.000 kilometer per seconde. Het heeft dus een seconde nodig om een afstand van 300.000 kilometer te overbruggen. Hoe verder weg een lichtbron staat, hoe langer het licht ervan erover doet om ons te bereiken. Zo doet het licht van de zon er acht minuten over om ons te bereiken. Daardoor ‘zien’ we de zon zoals hij er acht minuten geleden uit zag.

Als je heel ver het heelal in kijkt, kun je licht van sterrenstelsels aantreffen dat al 12 miljard jaar onderweg is. Zo kun je dus sterrenstelsels zien zoals ze er 12 miljard jaar geleden uitzagen.

Zwaartekrachtlenzen

Oké, maar hoe meet je dan de donkere materie in die verre sterrenstelsels? Om de donkeremateriehalo van een sterrenstelsel te meten, wordt nu vaak het licht gebruikt van een sterrenstelsel dat áchter het stelsel ligt waarin onderzoekers geïnteresseerd zijn. De zwaartekracht van het voorgelegen stelsel – die bepaald wordt door de zichtbare en de donkere materie samen – vervormt de ruimtetijd rondom dat stelsel. Dit effect, dat Einstein voorspelde in zijn algemene relativiteitstheorie, kun je vergelijken met een zware bowlingbal op een trampoline. Het trampolinevel rondom de bowlingbal vervormt.

Als het licht van een achtergelegen sterrenstelsel door de gekromde ruimtetijd bij het voorgelegen stelsel komt, wordt het afgebogen. Het voorgelegen stelsel werkt dan als een ‘zwaartekrachtlens’. Het licht buigt op een vergelijkbare manier af als bij een reguliere lens.

Hoe meer donkere materie een stelsel bevat, hoe sterker het licht afgebogen wordt. Zo kunnen astronomen afleiden hoeveel donkere materie het voorgelegen sterrenstelsel bevat.

Voor de hierboven beschreven techniek heb je dus een sterrenstelsel nodig dat nog verder weg ligt en dus nog ouder is dan het voorgelegen stelsel. Deze verre en oude stelsels zijn schaars en lichtzwak, waardoor de meting bij verre en dus oude sterrenstelsels lastig is. Dat maakt het ingewikkeld om meer dan acht tot tien miljard jaar terug in de tijd te kijken.

Schematische weergave van zwaartekrachtlens. Het licht van een achtergelegen lichtbron wordt om een zwaar object heen gebogen. De witte pijlen tonen het pad dat het licht aflegt vanaf de bron, om een zwaar object heen. De oranje pijlen laten zien waar de achtergelegen lichtbron zich voor de observant lijkt te bevinden. Bron: Wikimedia Commons, NASA/ESA

Kosmische achtergrondstraling

De Japanse onderzoekers hebben daar iets op gevonden. Zij gebruiken niet een achtergelegen sterrenstelsel als lichtbron, maar de kosmische achtergrondstraling, die overal in het heelal aanwezig is. Dit is het eerste licht dat ruim 13,6 miljard jaar gelegen ontsnapte uit de oersoep waar het heelal vlak na de oerknal uit bestond.

Met de Japanse Subaru-telescoop selecteerden de onderzoekers lenssterrenstelsels die zo ver weg staan dat we ze zien zoals ze er 12 miljard jaar geleden uit zagen.

Het zwaartekrachtlenseffect van een enkel, ver sterrenstelsel op de kosmische achtergrondstraling is vrij klein, zegt Miyatake. ‘Daarom namen we het gemiddelde van ongeveer 1,5 miljoen sterrenstelsels om het lenssignaal te meten.’ Vervolgens vergeleken ze het signaal met een theoretisch model dat voorspelt hoe de verdeling van donkere materie rond deze sterrenstelsels eruit zou moeten zien. ‘Onze metingen bleken daar vrij goed mee overeen te komen’, zegt Miyatake.

Met hun resultaten tonen de Japanse onderzoekers aan dat het mogelijk is om op deze manier de donkeremateriehalo’s van sterrenstelsels in het vroege heelal te meten.

‘Dit is een spannende, nieuwe soort meting’, zegt kosmoloog Hendrik Hildebrandt van de Ruhr-universiteit van Bochum, die niet betrokken was bij het onderzoek. Hij benadrukt dat het een proof of concept is. Deze eerste resultaten bieden nog geen nieuwe wetenschappelijke inzichten. ‘Ze tonen aan wat er mogelijk is met toekomstige metingen.’