In de duisternis tussen de sterrenstelsels is het leeg. Bijna. Hier zweven ijle wolken waterstofgassen, maar ze zijn niet zichtbaar, zelfs niet met de krachtigste telescopen. De wolken bevatten maar een paar atomen in een volume van enkele kubieke meters. Maar ze strekken zich miljarden kilometers uit, en als je al hun massa bij elkaar optelt, krijg je een heel speciaal getal – dat een 24 jaar oude som oplost.
Circa de helft van alle gewone, zichtbare materie – sterren, planeten, stof, gassen – ontsnapt aan de telescopen sinds in 1997 werd berekend hoeveel er waarneembaar zou moeten zijn. Tot nu toe, want de massa in de waterstofwolken blijkt exact overeen te komen met de ontbrekende massa.
En nu richten astronomen zich op donkere energie, die maar liefst 68 procent van alles uitmaakt. Met 5000 speciaal ontworpen lichtgeleiders op een telescoop in de VS vangen ze licht op van 35 miljoen sterrenstelsels, en de resultaten kunnen het grootste mysterie in de moderne kosmologie oplossen.
Het grootste deel van het heelal is donker
Volgens het standaardmodel van de kosmologie bestaat het heelal uit drie hoofdbestanddelen: donkere energie, donkere materie en gewone materie. Gewone, zichtbare materie vormt slechts 4,9 procent. Als onderzoekers meten hoe snel het heelal uitdijt, komen er verschillende resultaten uit, dus mogelijk is er iets in het onzichtbare universum – donkere energie (68,3 procent) of donkere materie (26,8 procent) – wat ze nog niet goed begrijpen.
Radioflits duidt op verborgen gassen
Alles wat we kunnen zien, voelen en ruiken bestaat uit atomaire materie: de atomen en moleculen die we de elementen noemen. Dat geldt ook voor de rest van het heelal, maar hoe verder weg, hoe lastiger het is om er bewijs voor te vinden. Al jaren proberen onderzoekers alle atomaire materie in het heelal in kaart te brengen.
De circa 200 miljard bekende sterrenstelsels bevatten 14 procent van de zichtbare massa die er volgens astronomische berekeningen moet zijn. Verder zijn er gaswolken gevonden tussen de sterrenstelsels in de sterrenstelselclusters, en gaswolken tussen die clusters in. Maar toch houdt zo’n 50 procent van de zichtbare massa zich sinds 1997 schuil voor telescopen.
Telescopen vinden ontbrekende materie in kosmisch spinnenweb
Aan radiogolven van krachtige radioflitsen in verre sterrenstelsels is te zien dat bijna de helft van alle zichtbare materie in het heelal bestaat uit zeer ijle waterstofgassen in de leegte tussen de clusters.
Mysterieuze flitsen ontspringen aan ver sterrenstelsel
Astronomen hebben zogeheten snelle radioflitsen waargenomen. Die zijn meestal afkomstig van verre sterrenstelsels. Ze worden getriggerd door neutronensterren met sterke magnetische velden, magnetars genaamd. De flitsen duren een paar milliseconden, maar zenden meer energie uit dan de zon in tientallen jaren.
Video: CSIRO/Alex Cherney/Red Empire Media
Extreem ijle waterstofwolken vertragen lange golven
Als het heelal helemaal leeg zou zijn, zouden korte en lange radiogolven met dezelfde snelheid bewegen. Maar omdat de radiogolven langs ijle, miljoenen graden hete waterstofwolken komen, worden ze gebroken, zoals licht wordt gebroken in een prisma. De lange golven raken daardoor vertraagd.
Video: CSIRO/Alex Cherney/Red Empire Media
Radiotelescoop meet vertragingen van de golven
De ASKAP-telescoop in Australië observeert radioflitsen van verre sterrenstelsels en de tijdverschuiving tussen de korte en lange golflengten van de flitsen. Hoe meer de lange golven worden vertraagd in vergelijking met de korte, hoe meer waterstofgas zo’n flits passeert op weg naar de aarde.
Video: CSIRO/Alex Cherney/Red Empire Media
Reuzentelescoop meet afstand en waterstof wordt gewogen
De Very Large Telescope in Chili vindt de afstand tot de sterrenstelsels waar de radioflitsen vandaan komen door te meten hoezeer het licht van de sterrenstelsels wordt uitgerekt op weg naar de aarde. Op basis van de hoeveelheid waterstof en de afstand tot de flitsen berekenen astronomen de massa van de waterstofwolken.
Video: CSIRO/Alex Cherney/Red Empire Media
Astronomen vermoedden al lang dat de massa verborgen was in miljoenen graden hete, extreem ijle wolken van waterstofgassen in grote holten tussen sterrenstelselclusters. Maar telescopen konden de gassen niet zien.
Door de hitte worden de waterstofatomen gescheiden: het proton in de atoomkern en het elektron komen van elkaar los in een zogeheten plasma. Dat maakt de waterstofatomen onzichtbaar, want het gespleten atoom kan geen licht meer opnemen en uitzenden.
Maar de vrij rondzwevende elektronen beïnvloeden wel het licht dat door de waterstofwolken valt. Als lichtgolven door waterstofplasma bewegen, worden ze verstrooid door de vrije elektronen, net zoals licht dat wordt gebroken door een prisma.
Met die kennis analyseerden onderzoekers uit de VS en Australië de zogeheten snelle radioflitsen. Astronomen weten niet zeker waar de flitsen vandaan komen, maar waarschijnlijk zijn ze afkomstig van neutronensterren met zeer sterke magnetische velden, magnetars. De flitsen, die een paar miljoenste seconde duren, kunnen evenveel energie uitstralen als de zon in 80 jaar.
Het zichtbare heelal is een kosmisch spinnenweb. De heldere stippen vertegenwoordigen clusters van sterrenstelsels. De vrijwel onzichtbare waterstofgassen zitten in de donkere gebieden tussen de draden van het spinnenweb.
Wetenschappers hebben de energierijke flitsen die de aarde bereiken in de vorm van radiogolven, geobserveerd met 36 gecoördineerde radiotelescopen in Australië, de Australian Square Kilometre Array Pathfinder (ASKAP). Radiogolven met lange golflengten worden sterker gebroken door de vrije elektronen dan radiogolven met korte golflengten en worden daarom het meest vertraagd. De ASKAP heeft dat ontdekt.
De tijdverschuiving tussen de golflengten van de flitsen en de afstand tot hun bron werd gebruikt om de massa te berekenen van de hete waterstofwolken waar de radiogolven langs zijn gekomen, en het resultaat was een eurekamoment voor de onderzoekers: het kwam overeen met de massa die sinds 1997 niet aan te tonen was.
Telescoop moet donkere energie vinden in bewegingen van sterrenstelsels
5000 lichtgeleiders vangen licht op van 35 miljoen sterrenstelsels en bepalen hun snelheid over 11 miljard jaar. Dit zal uitwijzen of donkere energie constant is of varieert, en geeft zo een idee waaruit de energie bestaat.
Blikveld als van 38 keer vollemaan
Het licht, dat op de 4 meter grote hoofdspiegel van de telescoop valt, wordt gericht op het instrument DESI op de telescoop. DESI vangt licht op van 5000 sterrenstelsels op verschillende afstanden in tijd en ruimte binnen een gebied dat overeenkomt met 38 keer het oppervlak van de vollemaan aan de hemel.
Licht van stelsels wordt opgevangen door 5000 lichtgeleiders
Het licht van de stelsels valt op een ‘vliegenoog’ met 5000 lichtgeleiders, die vooraf zijn ingesteld op de posities van de stelsels. De lichtgeleiders kunnen draaien en kantelen dankzij robotmotoren, waardoor DESI in een paar minuten klaar is om een nieuw stuk hemel te observeren.
Kabels sturen licht van geleiders naar spectrometers
Een 50 meter lange kabel stuurt het licht naar tien spectrometers, die de intensiteit en golflengten meten. Hoe verder weg een stelsel is, hoe zwakker het schijnt en hoe langer de golflengten zijn vanwege de uitdijing van het heelal. Daarom is het licht van de verste stelsels roder.
Golflengten laten uitdijing van het heelal zien
De analyse van golflengten laat ook de uitdijingssnelheid zien, want hoe meer de golflengten zijn uitgerekt sinds het licht van een stelsel werd uitgezonden, hoe sneller de ruimte is gegroeid. Zo kan worden bepaald of de sterkte van de donkere energie constant was in de geschiedenis van het heelal.
Vliegenoog speurt naar donkere energie
Onderzoekers wereldwijd stonden te juichen bij het bericht dat de ontbrekende massa is gevonden. Maar daarna zijn ze snel weer aan het werk gegaan: het is tijd om de rest van het heelal in kaart te brengen.
26,8 procent van alle massa is donkere materie. Die is nooit rechtstreeks waargenomen, maar hij moet bestaan. De clusters draaien zo snel dat de sterrenstelsels daarin alle kanten op zouden vliegen als er niet een onzichtbare massa was die ze door zijn zwaartekracht in hun baan houdt. Gewone en donkere materie trekken elkaar aan via de zwaartekracht en gaan al gelijk op sinds brokken donkere materie de waterstofgassen aantrokken waaruit de eerste sterrenstelsels voortkwamen. Zonder donkere materie dus geen sterrenstelsels.
Donkere materie vormt 85 procent van de totale massa, terwijl alles wat we kunnen zien slechts 15 procent van de massa bevat.
Het grootste puzzelstuk van het heelal is echter donkere energie. Astronomen dachten lange tijd dat de uitdijing van het heelal zou vertragen, omdat de zwaartekracht uiteindelijk de uitdijing zou stoppen en alles weer samen zou trekken.
Maar in 1998 deden twee onderzoeksteams een baanbrekende ontdekking, waar ze de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor kregen. Als de uitdijing van het heelal zou worden afgeremd door de zwaartekracht, dan zouden verre supernova’s steeds langzamer van ons af bewegen.
Maar uit waarnemingen blijkt dat die supernova’s juist steeds sneller wegtrekken: de uitdijing van het heelal versnelt. En de kracht daarachter noemen we donkere energie.
Nog verbaasder stelden dezelfde onderzoekers vast dat die energie 68,3 procent van het heelal uitmaakt. Volgens Einsteins relativiteitstheorie komt energie overeen met massa. Kort gezegd houdt de theorie in dat massa kan veranderen in energie en vice versa. Als hout bijvoorbeeld verbrandt, wordt zijn massa energie. En als bij experimenten twee fotonen, die geen massa hebben, worden omgezet in een elektron en een positron, verandert de energie van de fotonen in massa.
Het maakt voor astrofysici dus niet uit of we spreken van donkere energie of materie – de kracht komt hoe dan ook overeen met 68,3 procent van alle massa. Maar we hebben geen idee wat de afstotende kracht is en hoe die werkt.
Gelukkig staat er een nieuw instrument klaar om de donkere energie te onderzoeken: Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI). Tot 2025 zal DESI de bewegingen van 35 miljoen sterrenstelsels van de laatste 11 miljard jaar in kaart brengen. Zijn lens is een zogeheten vliegenoog, dat bestaat uit 5000 optische vezels.
De telescoop richt zich op één gebied tegelijk, waarvan bekend is dat er waarneembare sterrenstelsels zijn. Voor elk gebied worden alle 5000 vezels afzonderlijk aangepast, zodat iedere vezel één sterrenstelsel kan waarnemen. Elk gebied aan de hemel dat de 5000 vezels waarnemen, is 38 keer zo groot als de vollemaan.
Zo kan DESI iedere 20 minuten licht opvangen van zo’n 5000 nieuwe stelsels. De lichtmetingen gaan van het vliegenoog naar een aantal spectrografen, die de golflengten – en dus kleuren – van het licht meten. Hoe meer licht rood is geworden, hoe meer het licht onderweg hiernaartoe is uitgerekt.
De omvang van de uitrekking van het licht laat twee dingen zien: hoe ver sterrenstelsels van ons verwijderd zijn en hoe snel ze van ons af bewegen.
Dit wordt de eerstvolgende stap in het onderzoek naar donkere energie: bepalen of die constant is of varieert.
Eerder onderzoek duidt erop dat hij constant is, dus een vacuüm met een bepaald volume bevat altijd dezelfde hoeveelheid donkere energie. Toen de donkere energie 5 à 6 miljard jaar geleden de uitdijing van het heelal versnelde, kwam dat dus doordat het vacuüm constant groeit als gevolg van de uitdijing van het heelal.
Maar de laatste jaren hebben kosmologen ook enkele waarnemingen gedaan die in de andere richting kunnen wijzen: dat donkere energie varieert en ‘extra gas gaf’ toen de uitdijing van het heelal begon te versnellen. Als donkere energie constant is, wordt deze gecreëerd door virtuele deeltjes, die ontstaan en vrijwel direct weer verdwijnen.
Maar als de energie varieert, kan deze bestaan uit onbekende krachtdeeltjes. Als de onderzoekers dat raadsel kunnen oplossen, zal het de grootste revolutie in de kosmologie in meer dan 20 jaar zijn – en een gigantische stap om alle massa van het heelal te gaan begrijpen.