Wanneer de astronomen door een telescoop het heelal in kijken, zien ze miljarden stelsels met sterren, planeten en gas, en tussen de sterrenstelsels wervelt gas rond in wolken. Maar er ontbreekt iets. Wat de astronomen kunnen zien, maakt maar iets meer dan de helft uit van alle zichtbare materie die het heelal zou moeten bevatten.
Volgens de astrofysische theorieën bevat het heelal 27 procent donkere materie, die de stelsels bijeenhoudt, 68 procent donkere energie, die vaart zet achter de uitdijing van het heelal, en 5 procent zichtbare materie. Maar ondanks tientallen jaren zoeken met ruimtetelescopen, detectoren en deeltjesversnellers hebben de onderzoekers geen donkere deeltjes gevonden.
Ze weten ook niet waar donkere energie vandaan komt. En nu zijn ze bovendien 40 procent van de zichtbare materie kwijt. Al met al kunnen de onderzoekers maar 3 procent van de totale massa van het heelal vinden. Maar nu heeft de ruimtetelescoop XMM-Newton van ESA de verdwenen materie misschien gevonden – vermomd als heet, intergalactisch gas.
Röntgenstralen vinden verdwenen materie
ESA’s röntgentelescoop XMM-Newton heeft twee ultrahete gaswolken ontdekt, die onzichtbaar zijn door de hitte. De wolken bevatten een deel van het verdwenen kosmische materiaal, en als er elders ook zulke wolken zijn, kunnen ze bij elkaar alle verdwenen materie bevatten.
1. Quasar zendt straling uit
Enorme gaswolken draaien rond een superzwaar zwart gat in het centrum van een quasar en schieten straalstromen van deeltjes ver de ruimte in. Zowel de gassen als de straalstromen zenden veel energierijke röntgenstraling uit, die het hele heelal doortrekt.
2. Gas vangt stralen af
Onderweg door de ruimte stuit de straling op twee ultrahete intergalactische gaswolken. Zuurstof in de wolken absorbeert twee golflengten van de röntgenstraling door twee elektronen naar een hoger energieleven te sturen.
3. Telescoop pikt signaal op
Wanneer de straling van de quasar de ruimtetelescoop XMM-Newton bereikt, blijkt uit de twee ontbrekende golflengten in het spectrum dat de straling door zuurstof is gegaan. Op basis van de hoeveelheid zuurstof in de wolken valt te berekenen hoeveel andere materie deze bevatten.
Stelsels verliezen materie
Astronomen weten zeker dat die zichtbare materie bestaat. Alle materie is te zien in de kosmische achtergrondstraling, die 380.000 jaar na de oerknal werd uitgezonden en een momentopname van het prille heelal vormt. NASA’s COBE-satelliet nam deze kosmische achtergrondstraling in 1992 voor het eerst waar, en in 2013 mat de Planck-satelliet de temperatuurverschillen in de achtergrondstraling met een enorme precisie door.
Aan piepkleine temperatuurvariaties in de achtergrondstraling valt af te lezen hoe de massa in het jonge heelal verdeeld was, en op basis daarvan hebben onderzoekers berekend dat 5 procent van die massa uit zichtbare materie bestaat. De hoeveelheid klopt precies met de voorspellingen van de oerknaltheorie over het aantal lichte waterstof-, helium- en lithiumatomen dat na de grote oerexplosie is gevormd.
De astronomen kunnen nog steeds bijna alle materie zien wanneer ze oude stelsels en gaswolken van de eerste 5 miljard jaar na de oerknal observeren. Maar de afgelopen 9 miljard jaar is er minstens een massa als van 500 miljard sterrenstelsels verdwenen.
Nu bevatten de 200 miljard sterrenstelsels van het heelal slechts 14 procent van alle zichtbare materie in de vorm van sterren, planeten en gas. De rest moet zich tussen de stelsels bevinden, maar daar is niet meer dan 47 procent van de materie te zien.
De astronomen zijn 40 procent van de 5 procent zichtbare materie in het universum kwijt.
De sleutel tot deze verdwijntruc moet te vinden zijn in de ontwikkeling van stelsels. De sterrenstelsels die de eerste 5 miljard jaar na de oerknal zijn ontstaan, zetten de gaswolken 10 à 20 keer zo effectief om in sterren als de huidige stelsels, waardoor de materie in die stelsels bleef zitten. Nu remmen met name twee mechanismen de sterrenvorming af, waardoor er gas naar de lege, intergalactische ruimte ontsnapt.
Het ene mechanisme is de supernova explosie, waarbij enorme drukgolven heel veel sterrenmassa de ruimte in slingeren, en soms zelfs het stelsel uit. In het jonge heelal waren supernova’s zeer zeldzaam, want de sterren waren nog niet opgebrand, maar nu zijn ze de belangrijkste kracht achter het massaverlies in kleine dwergstelsels.
Grote stelsels hebben een nog krachtiger pomp: een superzwaar zwart gat in het hart. In actieve stelsels worden die gaten omringd door gassen die zich naar het grote niets toe wervelen. De draaiende gasschijf creëert extreem krachtige magnetische velden, die twee kolossale straalstromen van deeltjes naar het omringende stelsel en verder naar de intergalactische ruimte sturen.
Hitte maakt materie onzichtbaar
Al kunnen de onderzoekers verklaren hoe de materie uit de stelsels is verdwenen, ze hebben nog niet kunnen aantonen waar die is gebleven. Een theorie stelt echter dat de gassen die supernova’s en straalstromen ver de ruimte in sturen, zich over grote gebieden verdelen en zeer ijl waterstofgas worden, dat de telescopen niet kunnen zien.
De koele waterstofwolken die grote en koude bellen tussen de stelsels in vormen, zijn vrij makkelijk met telescopen te zien met behulp van verre, sterke lichtbronnen als actieve stelsels die hun licht op weg naar de aarde door waterstofwolken sturen. Als dat licht door zo’n wolk valt, absorberen de waterstofatomen lichtdeeltjes met een bepaalde ultraviolette golflengte, die het ene elektron van het waterstofatoom een hogere energietoestand meegeven. Op die manier verdwijnt de golflengte en is het gas te zien.
Maar de methode werkt niet wanneer de gassen extreem heet zijn met temperaturen tot 10 miljoen °C – dan bevindt de waterstof zich in de plasmafase, waarin het elektron en het proton in de atoomkern van elkaar gescheiden zijn en het atoom geen licht kan opnemen: de waterstof is nauwelijks te zien.
Een deel van de ontbrekende materie kan heet gas zijn rond de draden van het web van donkere materie, die de stelsels verbinden.
Een onderzoeksgroep onder leiding van Fabrizio Nicastro van het nationale instituut voor astrofysica in Italië zoekt met een heel andere methode naar het extreem hete gas. Het team meet röntgenstraling van een extreem lichtsterk, actief stelsel – een quasar – met ESA’s röntgentelescoop XMM-Newton.
In plaats van te zoeken naar aanwijzingen van waterstof kijken de onderzoekers uit naar zuurstof, waar de gaswolken ook een beetje van bevatten. De zuurstofkern telt acht protonen met acht elektronen. Bij een temperatuur van miljoenen graden verliest de zuurstof zes van de elektronen, maar kan het atoom nog röntgenstraling absorberen door de overige twee elektronen naar een hogere energietoestand te sturen.
De telescoop zag hoe de röntgenstraling op zijn 4 miljard lichtjaar lange reis van de quasar naar de aarde door twee gloeiend hete intergalactische gaswolken viel, waar zuurstof twee golflengten van de stralen heeft geabsorbeerd. Omdat de verhouding zuurstof en waterstof bekend is van koude gaswolken, valt indirect te bepalen hoeveel waterstof de wolken bevatten.
Volgens de berekeningen bevatten deze ultrahete gaswolken een kwart tot alle ontbrekende zichtbare materie in het heelal.
Stelsels bevatten 14 procent van de zichtbare massa
Alle sterrenstelsels bevatten samen maar 14 procent van de zichtbare materie. De sterren vormen de helft, de andere helft bestaat uit gassen die te ijl zijn om sterren voort te brengen.
De rest van de zichtbare materie is verdeeld over de vrijwel lege ruimte. 28 procent bestaat uit koele gaswolken tussen de stelsels, die te koud zijn om sterren voort te brengen. 15 procent bestaat uit hete intergalactische gaswolken van meer dan 100.000 °C heet die zich in halo’s rond sterrenstelsels bevinden.
En dan is er nog zo’n 40 procent zichtbare materie over. Die ontbrak tot voor kort op de balans van het heelal, maar volgens onderzoekers bestaat die materie uit zeker 10 miljoen °C hete gaswolken, die uit de stelsels zijn geslingerd en zich nu daartussen verstoppen – ze zijn te heet om ze te kunnen zien.
Hier bevindt de zichtbare materie zich:
Materie zit in donkere draden
Nu moeten de astronomen elders in het heelal op zoek naar meer ultraheet gas. Een deel daarvan kan schuilen in het ‘skelet’ van de ruimte: een driedimensionaal spinnenweb dat de stelsels verbindt. De draden zijn van donkere materie en kunnen iets van het hete gas hebben aangetrokken.
Hoe meer gaswolken ze vinden, des te zekerder de astronomen ervan kunnen zijn dat ze al het verdwenen materiaal van het heelal hebben gevonden. Om de balans van de ruimte te laten kloppen moeten ze alleen nog donkere deeltjes en energie verklaren – de overige 95 procent van het heelal.