Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
1 dark matter

Door het licht van 14.000 quasars te combineren hebben wetenschappers een 3D-kaart gemaakt van het universum. Deze kaart laat licht schijnen op de vraag hoe het heelal uitdijt.

Sinds de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein zijn wetenschappers serieus bezig met de dood van het universum. Waarheen leidt de weg? Blijft alles uitdijen als gevolg van de oerknal tot er een donker en koud universum over blijft (de zogenaamde hittedood)? Of is er genoeg zwaartekracht aanwezig om het uitdijen tegen te gaan? Zal, in dat geval, na een paar miljard jaar het universum weer op zichzelf klappen in de vorm van een Big Crunch? Jarenlang waren dat de heersende theorieën.

Tegen het einde van de vorige eeuw werd de wetenschappelijke wereld op z’n kop gezet toen bekend werd dat het universum zelf voor een derde optie ging. Het universum dijt namelijk niet alleen uit, maar doet dat steeds sneller. Deze versnellende expansie zou veroorzaakt worden door zogenaamde ‘dark energy’. Maar waar dat spul is en hoeveel ervan is, blijft nog een mysterie. De uitdijingsnelheid en verdeling van donkere energie is een belangrijk onderzoeksgebied geworden. Met behulp van 160.000 quasars zou dit opgehelderd moeten worden. Een groot team van internationale wetenschappers heeft een tipje van de sluier opgelicht, nadat de eerste 14.000 quasars onderzocht zijn. Er rolde een kaart van het universum uit en wanneer de hele kaart klaar is, weten we hopelijk zeker of het universum inderdaad steeds sneller uitdijt.

Quasars gebruiken als kaart
In het centrum van sterrenstelsels zitten grote zwarte gaten die allerlei gas en materie naar zich toe trekken. Niet al het gas komt recht in het zwarte gat terecht maar wordt eromheen geslingerd. Als gevolg hiervan wordt de materie opgewarmd en aan de boven- en onderkant van het zwarte gat schiet licht met enorme energie weg van het gat. Dit proces creëert één van de meest felle lichtbronnen die je in ons universum kan vinden, genaamd quasars. De internationale groep van wetenschappers had het idee om deze quasars te gebruiken voor een kaart van het universum.

Stel je voor dat je in een verlaten huisje woont, omringt door weilanden en bossen. Als je dan een kaart zou willen maken van je omgeving kan dat eigenlijk niet in het donker (even aannemen dat het vaak donker is, wellicht in het verre noorden). Niets in de weilanden geeft namelijk licht. Gelukkig staat er aan de andere kant van de weilanden een grote stad met veel lichtbronnen. Als je een deel van de flats niet kunt zien weet je dat iets in de weg staat. Je ziet bijvoorbeeld een flat niet omdat er een bos in de weg staat. Zo doen de wetenschappers dat ook met de quasars. Licht wat uit die quasars komt moet door allerlei waterstofgas heen. Normaal kan je dat gas niet zien. Juist dit waterstofgas geeft veel geheimen prijs over het uitdijende heelal. De wetenschappers kunnen schaduwen in het quasarlicht zien, veroorzaakt door een fenomeen dat wetenschappers het Lyman-alfa-bos noemen.

Door de bomen het Lyman-alfa-bos zien
Het doel van het onderzoek is om een kaart te maken van de verdeling van waterstofgas in ons universum. Omdat het universum uitdijt wil je kijken hoe de waterstofgaswolken precies verdeeld zitten en of de oudere wolken (die verder weg staan) ook minder snel uitdijen dan de wolken die dichterbij staan. Waneer de uitdijsnelheid van de verre, oudere wolken lager is dan de dichtbij staande, recentere wolken, duidt dat op snellere uitdijing. Dat zou namelijk duiden op een versnellend heelal. Wanneer het licht uit een quasar komt en langs waterstofgas vliegt zullen sommige kleuren door het waterstofgas geabsorbeerd worden. Net zoals dat een groene trui alle kleuren behalve groen absorbeert, doet waterstofgas dat ook. Een bepaalde kleur in het waterstof noemt men Lyman-alfa. Vernoemd naar de ontdekker hiervan: Theodore Lyman.

De reden dat de wetenschappers dit het Lymanbos noemen is omdat de geabsorbeerde kleuren ook afhankelijk zijn van de snelheid van de waterstofwolk. Hoe sneller de wolk uitdijt hoe roder de geabsorbeerde kleur wordt. Wanneer het quasarlicht op aarde aankomt ontbreekt er dus niet één kleur door de absorptie van waterstof, maar een hele rij kleuren die allemaal afhankelijk zijn van de snelheid van de wolken waar het licht doorheen is gegaan. Wetenschappers meten dit soort ontbrekende kleuren in een spectrum (spectroscopie) en al die zwarte lijnen doen denken aan een oerwoud van ontbrekende kleuren. Vandaar de naam Lyman-alfa-bos. Ook kan je zien aan de hoeveelheid kleur die geabsorbeerd is, hoeveel waterstof er in de wolk zit. De wetenschappers konden nu een driedimensionale afbeelding maken van waterstofgaswolken om ons heen en berekenen hoe snel ze uitdijen.

Pas 10%
Deze kaart gebruikt pas tien procent van het totaal aantal quasars dat wetenschappers in het BOSS project willen bekijken. BOSS staat voor Baryon Oscillation Spectroscopic Survey. Baryon betekent materie (het waterstofgas), de oscillation betekent dat ze zoeken naar individuele wolken gas die gevormd zijn door drukgolven ontstaan vlak na de oerknal. Spectroscopic slaat op het onderzoek naar de door waterstofgas geabsorbeerde kleuren licht. Door in een grote telescoop een metaalplaat te hangen, die heel kleine gaatjes heeft precies op de plekken waar het licht van de quasars binnenkomt kunnen ze heel nauwkeurig naar het quasarlicht kijken. Het is dus een enorm karwei om het licht van alle 160.000 quasars te bekijken. Probeer maar eens een dergelijke plaat te maken.

Dat het gelukt is met 14.000 quasars is een bewijs dat de techniek werkt en wanneer straks de andere quasars ook bekeken zijn hopen de wetenschappers iets over de uitdijing van het heelal te kunnen zeggen. Die kaart kan dan elf miljard jaar terug in de tijd kijken en met een paar procent onzekerheid de uitdijingsnelheid bepalen. Als er sprake is van een sneller uitdijend heelal, iets wat nog echt meer experimentele verificatie nodig heeft, dan zal het zeker gevonden worden. Nu al laat de kaart zien dat er een herhalend patroon van 500 miljoen lichtjaar zit in de wolken waterstofgas. Dit was nog niet eerder waargenomen. Anze Slozar, een van de wetenschappers die heeft meegewerkt zegt in een persbericht: ‘Nu weten we dat we het Lymanbos kunnen gebruiken voor het onderzoek naar donkere energie. We zien allerlei structuren in het verre universum die nog nooit eerder gezien zijn. Soms voel ik me als een avontuurlijke cartograaf uit de middeleeuwen.´

Anže Slosar e.a., The Lyman-α forest in three dimensions: measurements of large scale flux correlations from BOSS 1st-year dataarXiv