De lang gezochte materie lijkt zich te hebben verstopt in de gaten tussen sterrenstelsels
Eindelijk lijkt alle gewone materie van het universum aanwezig en verantwoord.
Astronomen hebben een nieuwe telling van materie in het universum gemaakt door te onderzoeken hoe heldere flitsen van radiogolven van andere sterrenstelsels, snelle radiostoten genaamd, worden vervormd door deeltjes op weg naar de aarde. Deze analyse toont aan dat ongeveer de helft van de gewone materie van het universum, die decennialang aan detectie is onttrokken, op de loer ligt in de intergalactische ruimte, rapporteren onderzoekers online op 27 mei in Natuur.
Het mysterie van de ontbrekende materie heeft de kosmologen al twintig jaar lang gekweld. Dit ongrijpbare materiaal is niet de onzichtbare, niet-geïdentificeerde donkere materie die het grootste deel van de massa in het universum vormt. Het is gewone materie, samengesteld uit tuinvariëteitdeeltjes die baryonen worden genoemd, zoals protonen en neutronen (SN: 10/11/17).
Waarnemingen van licht dat werd uitgezonden toen het heelal jong was, geven aan dat baryons ongeveer 5 procent van alle massa en energie in de kosmos zouden uitmaken. Maar in het moderne universum telt alle materie die astronomen gemakkelijk kunnen zien, zoals de sterren en het gas in sterrenstelsels, op tot slechts ongeveer de helft van de verwachte hoeveelheid materie.
Wetenschappers vermoeden al lang dat de ontbrekende materie zich tussen sterrenstelsels verbergt, langs filamenten van gas die tussen melkwegclusters zijn gespannen in een enorm kosmisch web (SN: 20-1-14). ‘Maar we hebben het niet goed kunnen detecteren, omdat het echt, heel diffuus is en het niet helder schijnt’, zegt Jason Hessels, een astrofysicus aan de Universiteit van Amsterdam die niet betrokken is bij het nieuwe werk.
Sommige intergalactische materie is detecteerbaar door hoe het het licht absorbeert van verre, heldere objecten die quasars worden genoemd (SN: 25/10/02). Maar de enige manier om een inventarisatie te maken van alle baryons die in de intergalactische ruimte rondhangen, is afhankelijk van mysterieuze ontploffingen van radiogolven van andere sterrenstelsels, mogelijk gegenereerd door energetische activiteit rond neutronensterren of zwarte gaten (SN: 7-2-20).
Hoewel niemand weet waardoor deze ontploffingen worden veroorzaakt, snelle radiostoten of FRB’s genoemd, kunnen ze nuttige baryondetectoren maken (SN: 25-7-14). De hoogfrequente, hoogenergetische radiogolven van een burst gaan sneller door intergalactische materie dan de laagfrequente golven. Hoe meer intergalactische materie de golven van een radiostoot doorlaten, des te verder vallen de golven met een lagere frequentie achter – waardoor een detecteerbaar uitstrijkje in het radiosignaal ontstaat tegen de tijd dat het de aarde bereikt.
Astrofysicus J. Xavier Prochaska van de Universiteit van Californië, Santa Cruz en collega’s onderzochten vijf snelle radio-uitbarstingen van vijf sterrenstelsels, allemaal gedetecteerd door de Australian Square Kilometre Array Pathfinder (SN: 27-06-19). Voor elke FRB vergeleken de onderzoekers de aankomsttijden van radiogolven met verschillende frequenties om het aantal baryons op te tellen dat de burst tijdens zijn reis door de intergalactische ruimte tegenkwam. Vervolgens kon het team van Prochaska, met behulp van de afstand tussen het gaststelsel van de FRB en de Melkweg, de baryondichtheid langs dat pad berekenen.
De gemiddelde materiedichtheid tussen de Melkweg en elk van de vijf FRB-gaststelsels kwam uit op ongeveer één baryon per kubieke meter. Het materiaal in de Melkweg is ongeveer 1 miljoen keer zo dicht als dat, zegt Prochaska, waardoor het intergalactische materiaal ‘een zeer piekerig medium’ wordt. Maar al dat piekerige materiaal, bij elkaar genomen, is voldoende om alle ontbrekende materie van het universum te verklaren – de gewone materie op ongeveer 5 procent van de totale materie en energie van het moderne universum brengen, zeggen de onderzoekers.
Astrofysicus J. Michael Shull van de Universiteit van Colorado Boulder waarschuwt dat “vijf een erg klein aantal” FRB-waarnemingen zijn waaruit conclusies kunnen worden getrokken over het aantal baryons in het hele moderne universum. Maar “als ze eenmaal hun foutbalken met veel, veel meer uitbarstingen hebben neergeslagen … Ik denk dat dat echt de spijker in de kist zal zijn voor dit baryon-probleem”, zegt hij.
Het gebruik van snellere radiostoten als kosmische weegstations zal ook nuttig zijn om precies aan te geven waar alle materie in het universum zich bevindt, zegt Shami Chatterjee, een radioastronoom aan de Cornell University die niet bij het werk betrokken is.
Op dit moment kunnen alle onderzoekers over de verloren en gevonden materie zeggen dat het tussen sterrenstelsels ligt. Maar met duizenden FRB-waarnemingen zouden astronomen de kleine variaties in baryondichtheid langs de zichtlijnen tussen de Melkweg en andere sterrenstelsels kunnen plagen om het kosmische web in kaart te brengen, zegt Chatterjee.