Wetenschappers hebben donkere materie ontdekt rond sterrenstelsels die ongeveer 12 miljard jaar geleden bestonden, de vroegste detectie tot nu toe van deze mysterieuze substantie die het universum domineert.
De bevindingen, bereikt door een samenwerking onder leiding van onderzoekers van de Japanse Universiteit van Nagoya, suggereren dat: donkere materie in het vroege heelal is minder ‘klonterig’ dan voorspeld door veel huidige kosmologische modellen. Als verder onderzoek deze theorie bevestigt, zou dit het begrip van wetenschappers over de evolutie van sterrenstelsels kunnen veranderen en zou het kunnen suggereren dat de fundamentele regels voor de kosmos anders hadden kunnen zijn toen de 13,7 miljard jaar oude universum slechts 1,7 miljard jaar oud was.
De sleutel tot het in kaart brengen van donkere materie in het zeer vroege heelal kosmische magnetron achtergrond (CMB), een soort fossiele straling die is overgebleven van de oerknal en die zich door de hele kosmos verspreidt.
“Kijken naar donkere materie rond verre sterrenstelsels? Het was een gek idee. Niemand realiseerde zich dat we dit konden doen”, professor Masami Ouchi van de Universiteit van Tokio zei in een verklaring. “Maar nadat ik een lezing had gehouden over een groot monster van verre sterrenstelsels, kwam Hironao naar me toe en zei dat het misschien mogelijk is om met de CMB naar donkere materie rond deze sterrenstelsels te kijken.”
Verwant: Nu de James Webb-ruimtetelescoop in volle werking is, proberen wetenschappers de vroegste sterrenstelsels te onthullen
Omdat licht een eindige tijd nodig heeft om van verre objecten naar Aarde, zien astronomen andere sterrenstelsels zoals ze bestonden toen het waargenomen licht ze verliet. Hoe verder verwijderde sterrenstelsels, hoe langer het licht naar ons heeft gereisd en dus hoe verder terug in de tijd we ze zien, dus we zien de verste sterrenstelsels zoals ze miljarden jaren geleden waren, in het baby-universum.
Het observeren van donkere materie is nog lastiger. Donkere materie is de mysterieuze substantie die ongeveer 85% van de totale massa van het universum uitmaakt. Het heeft geen interactie met materie en licht zoals de alledaagse materie gemaakt van protonen en neutronen die sterren, planeten en ons vult.
Detectie van ‘vroege’ donkere materie
Om donkere materie überhaupt te ‘zien’, moeten astronomen vertrouwen op de interactie met de zwaartekracht.
Volgens Einsteins relativiteitstheorie, objecten met een enorme massa veroorzaken de kromming van ruimte-tijd. Een veel voorkomende analogie is een rekbare rubberen laag die ballen met toenemende massa vasthoudt. Hoe groter de massa, hoe groter de ‘deuk’ die het veroorzaakt in de plaat. Evenzo, hoe groter het kosmische object, hoe extremer de kromming van de ruimte-tijd die het veroorzaakt.
Massieve objecten zoals sterrenstelsels zorgen ervoor dat de ruimte-tijd zo sterk kromt dat het licht van bronnen achter een sterrenstelsel gekromd is, net zoals het pad van een knikker die over het uitgerekte rubberen vel zou worden gerold, zou afwijken. Dit effect verschuift de positie van de lichtbron in de lucht, een fenomeen dat zwaartekrachtlens wordt genoemd.
De verdeling van donkere materie in a . bestuderen heelal, kunnen astronomen waarnemen hoe het licht van een bron achter dat melkwegstelsel verandert als het het ‘lensstelsel’ passeert. Hoe meer donkere materie een lensstelsel bevat, hoe groter de vervorming van het licht dat er doorheen gaat.
Maar de techniek heeft beperkingen.
Omdat de vroegste en meest verre sterrenstelsels erg zwak zijn, omdat astronomen dieper in het heelal en verder terug in de tijd kijken, wordt het lenseffect subtieler en moeilijker te zien en hebben wetenschappers zowel veel achtergrondbronnen als veel vroege sterrenstelsels nodig om spotlensing door donkere materie. Dit probleem heeft het in kaart brengen van de verdeling van donkere materie beperkt tot sterrenstelsels die ongeveer 8 tot 10 miljard jaar oud zijn.
Maar de CMB biedt een oudere lichtbron dan welk sterrenstelsel dan ook. De CMB is alomtegenwoordige straling die werd gecreëerd toen het universum voldoende afkoelde om atomen te laten vormen, waardoor het aantal fotonverstrooiende vrije elektronen werd verminderd in een moment dat kosmologen ‘de laatste verstrooiing’ noemen. De reductie van vrije elektronen toegestaan fotonen om vrij te reizen, wat betekent dat het universum plotseling niet meer ondoorzichtig was en transparant werd voor licht.
En net als licht van andere verre bronnen, kan de CMB worden vervormd door sterrenstelsels met donkere materie als gevolg van zwaartekrachtlensing.
“De meeste onderzoekers gebruiken bronstelsels om de verdeling van donkere materie van nu tot 8 miljard jaar geleden te meten”, zei universitair docent Yuichi Harikane van de Universiteit van Tokyo in de verklaring. “We kunnen echter verder terug in het verleden kijken omdat we de verder weg gelegen CMB hebben gebruikt om donkere materie te meten.”
Het team combineerde lensvervormingen van een groot aantal oude sterrenstelsels met die van de CMB om donkere materie te detecteren die dateert uit de tijd dat het universum slechts 1,7 miljard jaar oud was. En deze oude donkere materie schetst een heel ander kosmisch beeld.
“Voor de eerste keer hebben we donkere materie gemeten vanaf bijna de vroegste momenten van het universum,” zei Harikane. “12 miljard jaar geleden was alles heel anders. Je ziet meer melkwegstelsels in vorming dan nu; de eerste clusters van melkwegstelsels beginnen zich ook te vormen.”
Deze clusters kunnen bestaan uit 100 tot 1000 sterrenstelsels die door de zwaartekracht aan grote hoeveelheden donkere materie zijn gebonden.
Is donkere materie klonterig?
Een van de belangrijkste aspecten van de bevindingen van het team is de mogelijkheid dat donkere materie in het vroege heelal minder klonterig is dan veel huidige modellen suggereren.
Het algemeen aanvaarde Lambda-CDM-model suggereert bijvoorbeeld dat kleine fluctuaties in de CMB ertoe hadden moeten leiden dat de zwaartekracht dicht opeengepakte deeltjes materie had gecreëerd. Deze fluctuaties leiden er uiteindelijk toe dat materie instort om sterrenstelsels, sterren en planeten te vormen, en zou ook moeten resulteren in dichte zakken donkere materie.
“Onze bevinding is nog steeds onzeker,” zei Harikane. “Maar als het waar is, zou het erop wijzen dat het hele model gebrekkig is naarmate je verder terug in de tijd gaat. Dit is opwindend, want als het resultaat standhoudt nadat de onzekerheden zijn verminderd, zou het een verbetering van het model kunnen suggereren die inzicht kan geven in de aard van donkere materie zelf.”
Het team zal doorgaan met het verzamelen van gegevens om te beoordelen of het Lambda-CDM-model overeenkomt met waarnemingen van donkere materie in het vroege heelal of dat de aannames achter het model moeten worden herzien.
De gegevens die het team heeft gebruikt om tot hun bevindingen te komen, zijn afkomstig van de Subaru Hyper Suprime-Cam Survey, die gegevens van een telescoop in Hawaï analyseert. Maar de onderzoekers hebben tot nu toe slechts een derde van deze gegevens gebruikt, wat betekent dat er een betere verdelingskaart voor donkere materie beschikbaar zou kunnen zijn als de rest van de waarnemingen wordt opgenomen.
Het team kijkt ook uit naar gegevens van de Vera C. Rubin-observatorium‘s Legacy Survey of Space and Time (LSST), waarmee de onderzoekers nog verder terug in de tijd naar donkere materie kunnen kijken.
“Met LSST kunnen we de halve lucht observeren”, zei Harikane. “Ik zie geen reden waarom we de verdeling van donkere materie 13 miljard jaar geleden niet zouden kunnen zien.”
Het onderzoek van het team werd in augustus gepubliceerd. 1 in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven.
Volg ons op Twitter @Spacedotcom en verder Facebook.