Donkere materie mogelijk gelijkmatiger verdeeld dan gedacht

Analyse van een omvangrijke nieuwe survey van sterrenstelsels, gedaan met ESO’s VLT Survey Telescope in Chili, wijst erop dat de donkere materie een geringere dichtheid heeft en gelijkmatiger over de ruimte is verdeeld dan tot nu toe werd gedacht. Een internationaal team heeft gegevens van de Kilo Degree Survey (KiDS) gebruikt om te onderzoeken hoe het licht van ongeveer 15 miljoen verre sterrenstelsels is beïnvloed door de zwaartekracht van de grootschalige materieverdeling in het heelal. De resultaten lijken in strijd te zijn met eerdere resultaten van de Planck-satelliet.

Hendrik Hildebrandt van het Argelander-Institut für Astronomie in Bonn, Duitsland, en Massimo Viola van de Sterrewacht Leiden hebben leiding gegeven aan een team astronomen van instituten van over de hele wereld [1] die beelden hebben verwerkt van de Kilo Degree Survey (KiDS), die gedaan is met ESO’s VLT Survey Telescope (VST) in Chili. Voor hun analyse hebben zij opnamen gebruikt van vijf hemelgebieden die tezamen ongeveer 2200 keer zo groot zijn als de volle maan [2] en ongeveer 15 miljoen sterrenstelsels bevatten. Door de uitmuntende beeldkwaliteit van de VST op de top van Paranal te benutten en geavanceerde computersoftware toe te passen, is het team erin geslaagd om een van de meest nauwkeurige metingen ooit te doen van een effect dat cosmic shear (‘kosmische verschuiving’) wordt genoemd.

Dit is een subtiele variant van het zwakke zwaartekrachtlenseffect, waarbij het licht van verre sterrenstelsels een beetje wordt afgebogen door het zwaartekrachtseffect van grote hoeveelheden materie, zoals clusters van sterrenstelsels. Bij cosmic shear zijn het geen clusters die het licht afbuigen, maar grootschalige structuren in het heelal. Het uiteindelijke effect is nóg kleiner. Daarom hebben astronomen zeer omvangrijke en diepe surveys zoals KiDS nodig om het zeer zwakke signaal van de cosmic shear te kunnen meten en aan de hand daarvan de verdeling van de kosmische materie in kaart te brengen. Bij deze nieuwe survey is met behulp van deze techniek een groter hemelgebied in kaart gebracht dan bij eerdere onderzoeken.

Verrassend genoeg lijken de resultaten van de analyse in strijd te zijn met conclusies die gebaseerd zijn op resultaten van de Planck-satelliet van het Europese ruimteagentschap ESA, de belangrijkste ruimtemissie waarmee de fundamentele eigenschappen van het heelal zijn onderzocht. Met name de meting die het KiDS-team heeft gedaan van de ‘klonterigheid’ van de kosmische materie – een cruciale kosmologische parameter – komt aanzienlijk lager uit dan de waarde die uit de Planck-gegevens is afgeleid [3]. Massimo Viola legt uit: ‘Dit nieuwe resultaat wijst erop dat de donkere materie in het kosmische web, die ongeveer een kwart van de inhoud van het heelal vertegenwoordigt, minder klonterig is dan we tot nu toe dachten.’ Donkere materie blijft een ongrijpbare substantie. Het bestaan ervan kan alleen worden afgeleid uit de zwaartekrachtsinvloed die zij uitoefent. Onderzoeken als deze zijn op dit moment de beste manier om de vorm, schaal en verdeling van dit onzichtbare materiaal te bepalen.

Het verrassende resultaat van dit onderzoek heeft ook implicaties voor ons grotere begrip van het heelal, en hoe dit in de loop van zijn ongeveer 14 miljard jaar lange bestaan is geëvolueerd. Het klaarblijkelijk gebrek aan overeenstemming met de eerdere Planck-resultaten betekent dat astronomen nu wellicht hun inzichten omtrent enkele fundamentele aspecten van de kosmische evolutie moeten bijstellen. Hendrik Hildebrandt licht toe: ‘Onze bevindingen zullen onze theoretische modellen van hoe het heelal zich sinds het begin heeft ontwikkeld helpen verfijnen.’ De KiDS-analyse van gegevens van de VST is een belangrijke stap, maar naar verwachting zullen toekomstige telescopen nog omvangrijkere en diepere hemelsurveys gaan doen.

Mede-onderzoeksleider Catherine Heymans van de Universiteit van Edinburgh (VK) voegt daaraan toe: ‘Ontrafelen wat er sinds de oerknal is gebeurd is een ingewikkelde onderneming, maar door het verre heelal te blijven onderzoeken kunnen we ons een beeld vormen van hoe ons huidige heelal tot stand is gekomen.’ ‘We zien nu een intrigerende discrepantie met de Planck-kosmologie. Toekomstige missies zoals de Euclid-satelliet en de Large Synoptic Survey Telescope zullen ons in staat stellen om de metingen te herhalen en beter te begrijpen wat het heelal ons nu eigenlijk vertelt,’ concludeert Konrad Kuijken (Sterrewacht Leiden), die onderzoeksleider van de KiDS-survey is.

Noten

[1] Het internationale KiDS team bestaat uit wetenschappers uit Duitsland, Nederland, het Verenigd Koninkrijk, Australië, Italië, Malta en Canada.

[2] Dit komt overeen met ongeveer 450 vierkante graad of iets meer dan één procent van de volledige hemel.

[3] De gemeten parameter heet S8. De waarde ervan is een combinatie van de grootte van dichtheidsfluctuaties in, en de gemiddelde dichtheid van, een stuk heelal. Grote fluctuaties in gebieden van geringere dichtheid hebben een vergelijkbaar effect als kleinere fluctuaties in gebieden van grotere dichtheid, en waarnemingen van het zwakke zwaartekrachtlenseffect kunnen geen onderscheid maken tussen beide. De 8 verwijst naar een celgrootte van 8 megaparsec – de maat die volgens afspraak bij onderzoeken als deze wordt gebruikt.