13 MEI 2000 NRC

Sterrenstelsels in het gelid - George Beekman

ASTRONOMEN METEN LENSWERKING VAN DONKERE MATERIE

Astronomen zijn erin geslaagd de vervorming van verre sterrenstelsels te meten die het gevolg is van de minieme lenswerking van variaties in de grootschalige verdeling van de materie in het heelal. Nature meldt dit deze week. De mijlpaal zou de eerste stap kunnen zijn naar een nieuwe methode voor het bepalen van de hoeveelheid en de verdeling van vooral de zogeheten donkere materie in het heelal: de mysterieuze materie die in tegenstelling tot sterren en sterrenstelsels geen straling uitzendt en alleen waarneembaar is via zijn aantrekkingskracht op zichtbare objecten.

Albert Einstein voorspelde al dat licht (en alle andere straling) in een gravitatieveld wordt gekromd. Dit effect werd voor het eerst vastgesteld bij het licht van sterren dat vlak langs de totaal verduisterde zon bewoog en later bij sterrenstelsels die ver achter een ander stelsel of een clusters van stelsels op de voorgrond stonden. Soms is het effect zo sterk dat zo'n ver stelsel tot een `boog' wordt uitgerekt of op verscheidene plaatsen rond het voorgrondobject wordt afgebeeld. Astronomen maken van dit effect, gravitatielens genoemd, gebruik om de massa van zulke objecten te bepalen.



Kosmologen proberen al lang om ook de lenswerking van variaties in de massaverdeling op veel grotere schalen in het heelal aan te tonen. Het grootste deel van de massa in het heelal zendt namelijk (vrijwel) geen straling uit, is dus donker, en doet zich alleen gelden via zijn zwaartekracht. Deze donkere materie speelt een belangrijke rol in de modellen waarmee het ontstaan en de ontwikkeling van het heelal wordt beschreven en daarom willen de kosmologen graag weten hoeveel er aanwezig er hoe die is verspreid. De meest directe weg om hier achter te komen is door het meten van zijn lenswerking.



Ook de variaties in de verdeling van de donkere materie in het heelal veroorzaken vervormingen in het beeldje van verre sterrenstelsels. Deze vervormingen zijn echter heel gering, in de orde van één procent, en dus heel moeilijk te meten. Bovendien is op voorhand de onverstoorde vorm van sterrenstelsels niet bekend en is dus niet uit te maken in hoeverre een waargenomen vorm intrinsiek is of het gevolg van lenswerking. Dit probleem kan alleen worden opgelost door de vorm van vele duizenden verre stelsels statistisch te analyseren.



Men mag er van uitgaan dat het licht van stelsels die aan de hemel vlak bij elkaar staan op eenzelfde manier door variaties in de massa in de waarnemingsrichting zijn beïnvloed. Deze correlatie neemt bij het toenemen van de onderlinge afstand af. Verder hangt deze correlatie voor iedere onderlinge afstand af van de grootte van de materieconcentraties in de lichtweg. De verandering van deze correlaties binnen kleine hoekjes aan de hemel, de zogeheten cosmic shear, geeft langs deze weg informatie over de materie in de waarnemingsrichting.



Vier groepen astronomen hebben nu onafhankelijk van elkaar de eerste resultaten van deze techniek gepresenteerd. De groepen fotografeerden met verschillende grote telescopen (op La Palma, Hawaii en Cerro Tololo) in verschillende richtingen aan de hemel gebiedjes van zo'n halve graad in diameter waarin zich geen bekende massaconcentraties bevonden, maar alleen (tienduizenden) verre sterrenstelsels. Zij gebruikten de puntvormige, onvervormde sterbeeldjes in ons melkwegstelsel voor het opsporen en corrigeren van de schijnbare vervorming van sterrenstelsels als gevolg van systematische fouten in de optiek, de elektronische camera en de volginrichting.



Alle vier de groepen melden dat, binnen gebiedjes van ongeveer één tot 30 boogminuten aan de hemel, nu het effect van cosmic shear is waargenomen. Hoewel het nog maar om een eerste detectie gaat, blijken de gemeten vervormingspatronen goed te rijmen met de verdeling van de donkere materie zoals die wordt gehanteerd in de twee kosmologische theorieën die voorspellen dat het heelal eeuwig zal blijven uitdijen. De resultaten zijn in ieder geval niet te rijmen met het standaardmodel van de koude donkere materie, waarin het heelal voldoende materie bevat om zijn huidige expansie uiteindelijk tot stilstand te kunnen brengen.



In een commentaar in Nature vergelijkt de Amerikaanse astrofysicus Max Tegmark het belang van de eerste detecties van deze cosmic shear met die van de ontdekking (door de COBE-satelliet in 1992) van minieme variaties in de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling. Deze millimeterstraling dateert uit de tijd dat het heelal nog maar zo'n 300.000 jaar oud was en de variaties daarin zijn de `kiemen' van de dichtheidsvariaties die later zijn uitgegroeid tot sterrenstelsels en clusters. Metingen aan de cosmic shear kunnen een beter inzicht geven in de werkelijke massaconcentraties in het latere heelal en het ontstaan hiervan weer beter terugkoppelen naar hun prille `kiemen' in de kosmische achtergrondstraling.



Foto-onderschrift:

Het licht van verre sterrenstelsels beschrijft een grillig pad doordat het onderweg door allerlei massavariaties wordt afgebogen. De beeldjes van stelsels die aan de hemel vlak bij elkaar staan worden echter op eenzelfde manier vervormd omdat hun licht door dezelfde massavariaties wordt benvloed. Ook al hebben de stelsels verschillende vormen, bij opmeting van grote aantallen zal toch een statistisch significante correlatie in hun vervorming moeten optreden. Deze sterkte van deze correlatie hangt zowel af van de onderlinge afstand tussen de beeldjes als van de kosmische massa's die de vervormingen veroorzaken.