Wetenschappers hebben donkere materie rond sterrenstelsels in het vroege heelal in kaart gebracht

Wetenschappers hebben de donkere materie rond enkele van de vroegste, meest verre sterrenstelsels tot nu toe in kaart gebracht.

De 1,5 miljoen sterrenstelsels verschijnen zoals ze 12 miljard jaar geleden waren, of minder dan 2 miljard jaar na de oerknal. Die sterrenstelsels vervormen de kosmische microgolfachtergrond – licht dat werd uitgestraald tijdens een nog vroeger tijdperk van het universum – zoals gezien vanaf de aarde. Die vervorming, zwaartekrachtlensing genoemd, onthult de verdeling van donkere materie rond die sterrenstelsels, rapporteren wetenschappers in de 5 augustus Fysieke beoordelingsbrieven.

Begrijpen hoe donkere materie zich vroeg in de geschiedenis van het universum verzamelt rond sterrenstelsels, zou wetenschappers meer kunnen vertellen over de mysterieuze substantie. En in de toekomst kan deze lenstechniek wetenschappers ook helpen een mysterie te ontrafelen over hoe materie samenklontert in het universum.

Donkere materie is een onbekende, massieve substantie die sterrenstelsels omringt. Wetenschappers hebben donkere materie nooit rechtstreeks gedetecteerd, maar ze kunnen de zwaartekrachtseffecten ervan op de kosmos waarnemen (SN: 22-07-22). Een van die effecten is zwaartekrachtlensing: wanneer licht een melkwegstelsel passeert, buigt zijn massa het licht als een lens. Hoeveel het licht buigt, onthult de massa van de melkweg, inclusief de donkere materie.

Het is moeilijk om donkere materie rond zulke verre sterrenstelsels in kaart te brengen, zegt kosmoloog Hironao Miyatake van de Nagoya University in Japan. Dat komt omdat wetenschappers een lichtbron nodig hebben die verder weg is dan de melkweg die als lens fungeert. Doorgaans gebruiken wetenschappers nog verder verwijderde sterrenstelsels als de bron van dat licht. Maar als je zo diep in de ruimte tuurt, zijn die sterrenstelsels moeilijk te vinden.

Dus in plaats daarvan richtten Miyatake en collega’s zich op de kosmische microgolfachtergrond, het oudste licht in het universum. Het team gebruikte metingen van lensing van de kosmische microgolfachtergrond van de Planck-satelliet, gecombineerd met een groot aantal verre sterrenstelsels waargenomen door de Subaru-telescoop op Hawaï (SN: 7/24/18). “Het zwaartekrachtlenseffect is erg klein, dus we hebben veel lensstelsels nodig”, zegt Miyatake. De verdeling van donkere materie rond de sterrenstelsels kwam overeen met de verwachtingen, melden de onderzoekers.

De onderzoekers schatten ook een hoeveelheid genaamd sigma-8, een maat voor hoe “klonterig” materie in de kosmos is. Jarenlang hebben wetenschappers aanwijzingen gevonden dat verschillende metingen van sigma-8 het niet met elkaar eens zijn (SN: 8/10/20). Dat zou een aanwijzing kunnen zijn dat er iets mis is met de theorieën van wetenschappers over het universum. Maar het bewijs is niet sluitend.

“Een van de meest interessante dingen in de kosmologie op dit moment is of die spanning echt is of niet”, zegt kosmoloog Risa Wechsler van Stanford University, die niet betrokken was bij het onderzoek. “Dit is een heel mooi voorbeeld van een van de technieken die daar licht op kunnen werpen.”

Het meten van Sigma-8 met behulp van vroege, verre sterrenstelsels zou kunnen helpen onthullen wat er aan de hand is. “Deze hoeveelheid, deze sigma-8, wil je vanuit zoveel mogelijk perspectieven meten”, zegt kosmoloog Hendrik Hildebrandt van de Ruhruniversiteit Bochum in Duitsland, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Als schattingen uit verschillende tijdperken van het universum het niet met elkaar eens zijn, kan dat natuurkundigen helpen een nieuwe theorie te ontwikkelen die de kosmos beter zou kunnen verklaren. Hoewel de nieuwe meting van sigma-8 niet nauwkeurig genoeg is om het debat te beslechten, zouden toekomstige projecten, zoals het Rubin Observatorium in Chili, de schatting kunnen verbeteren (SN: 1/10/20).