Wetenschappers hebben met de ruimtetelescoop James Webb de scherpste kaart ooit gemaakt van donkere materie. Het resultaat toont een kosmisch web van onzichtbare structuren die sterrenstelsels met elkaar verbinden.
Donkere materie is een van de grootste vraagstukken in de moderne sterrenkunde. We kunnen het niet zien, het zendt geen licht uit en het absorbeert ook niets. Toch maakt deze mysterieuze substantie ongeveer vijf zesde uit van alle materie in het heelal. Het enige wat we ervan merken is de zwaartekracht die het uitoefent op zijn omgeving. Dat is tevens hoe we überhaupt weten dat het er is. Een team van onderzoekers heeft nu de meest gedetailleerde kaart tot nu toe gemaakt van hoe donkere materie verdeeld is over een specifiek stukje hemel. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature Astronomy.
Een kosmisch vergrootglas
Om iets in kaart te brengen dat je niet kunt zien, moet je creatief zijn. De onderzoekers gebruikten een techniek die ‘zwakke gravitatielenswerking’ heet. Het principe: massa buigt licht. Wanneer licht van verre sterrenstelsels onderweg naar ons langs een grote massa komt, zoals een klont donkere materie, wordt het pad van dat licht een klein beetje afgebogen.
Door de vormen van honderdduizenden achtergrondstelsels te meten, kunnen astronomen berekenen hoeveel massa er tussen ons en die stelsels moet zitten. Dat is niet gemakkelijk, want het effect is subtiel: de vervorming bedraagt slechts enkele procenten, ongeveer tien keer kleiner dan de natuurlijke variatie in de vorm van sterrenstelsels.
Scherper dan ooit
De ruimtetelescoop James Webb blijkt een uitstekend instrument voor dit soort werk. Het team kon de vormen meten van 129 sterrenstelsels per vierkante boogminuut, een minuscuul stukje van de hemel: een boogminuut is slechts een zestigste van een graad. Dat is bijna het dubbele van wat de Hubble-telescoop aankon en vele malen meer dan telescopen op aarde die last hebben van atmosferische vervaging. Waar Hubble acht sterrenstelselclusters kon detecteren in een bepaald stukje hemel, vindt Webb er vijftien.
Het kosmische web
Belangrijk om te vermelden: dit is geen ‘foto’ van donkere materie, maar een kaart. De structuur is gereconstrueerd op basis van de subtiele zwaartekrachteffecten die donkere materie uitoefent op het licht van verre sterrenstelsels.
De kaart toont niet alleen losse klonters materie, maar ook de verbindingen ertussen. Astronomen vermoedden namelijk al langer dat sterrenstelselclusters met elkaar verbonden zijn via uitgestrekte ‘filamenten’ van donkere materie. Het is eigenlijk een soort kosmisch web dat het skelet van het heelal vormt. Die filamenten zijn nu voor het eerst direct zichtbaar in de data. Ze bevatten te weinig massa om zelf röntgenstraling uit te zenden of veel sterrenstelsels te herbergen, maar hun zwaartekracht verraadt ze.
Terug in de tijd
Een bijkomend voordeel van Webb: de telescoop kan sterrenstelsels waarnemen die veel verder weg staan dan Hubble kon. Omdat licht tijd nodig heeft om ons te bereiken, kijken astronomen met deze techniek automatisch terug in de tijd.
De nieuwe kaart spoort materiestructuren op tot een roodverschuiving van ongeveer 2. In mensentaal: de telescoop kijkt terug naar een periode toen het heelal nog geen kwart van zijn huidige leeftijd had. Dit was de zogenoemde ‘kosmische middag’, het tijdperk waarin sterrenstelsels het actiefst nieuwe sterren vormden.
Wat we nog niet weten
De kaart vertelt ons wel waar donkere materie zit, maar niet wat het is. Die vraag blijft een van de grootste open problemen in de natuurkunde. Wat we wel weten: zonder donkere materie zouden sterrenstelsels uit elkaar vliegen en zou het heelal er compleet anders uitzien. De onderzoekers hopen nu dat hun gedetailleerde kaart andere wetenschappers kan helpen om theorieën over de aard van donkere materie te testen.
We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Bestaat dit echt? Hubble ziet een ‘onzichtbaar sterrenstelsel’ van donkere materie en Eerste glimp van donkere materie gezien? Japanse astronoom claimt grote ontdekking. Of lees dit artikel: Mysterieuze ‘kleine rode stipjes’ in het verre heelal hebben misschien een verrassende verklaring.
Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast:
