Wetenschappers hebben jarenlang geen stukje materie in het universum kunnen vinden. Onlangs gepubliceerde materialen laten zien waar ze zich verstopt.
Astronomen hebben eindelijk de laatste ontbrekende stukjes van het universum gevonden. Ze zijn sinds het midden van de jaren negentig ondergedoken, en op een gegeven moment besloten de onderzoekers om een inventaris op te maken van alle "gewone" materie in de ruimte, inclusief sterren, planeten, gas - dat wil zeggen, alles wat uit atomaire deeltjes bestaat. (Dit is geen "donkere materie", wat een apart mysterie is.) Wetenschappers hadden een vrij duidelijk idee van hoeveel deze materie zou moeten zijn, gebaseerd op de conclusies van theoretische studies over de oorsprong ervan ten tijde van de oerknal. Studies van de kosmische microgolfachtergrond (de overblijfselen van licht van de oerknal) bevestigden later deze eerste schattingen.
Ze verzamelden alle materie die ze konden zien: sterren, gaswolken en dergelijke. Dat zijn alle zogenaamde baryonen. Ze waren goed voor slechts 10% van wat had moeten zijn. En toen wetenschappers tot de conclusie kwamen dat gewone materie slechts 15% van alle materie in het heelal uitmaakt (de rest is donkere materie), hadden ze tegen die tijd slechts 1,5% van alle materie in het heelal geïnventariseerd.
Na een reeks onderzoeken hebben astronomen onlangs de laatste stukjes gewone materie in het universum gevonden. (Ze zijn nog steeds verbijsterd, niet wetend waaruit donkere materie is gemaakt.) En hoewel het heel lang duurde, vonden wetenschappers het precies waar ze het verwachtten te vinden: in de enorme krullen van hete gassen die de holtes tussen melkwegstelsels innemen. Preciezer gezegd, ze worden de warm-hete intergalactische omgeving (WHIM) genoemd.
De eerste aanwijzingen dat er enorme gebieden van in wezen onzichtbaar gas tussen sterrenstelsels zouden kunnen bestaan, kwamen van computersimulaties in 1998. "We wilden zien wat er met al dit gas in het universum gebeurde", zei kosmoloog Jeremiah Ostriker van Princeton University, die samen met zijn collega Renyue Cen zo'n model bouwde. Deze wetenschappers hebben de beweging van gas in het universum gemodelleerd onder invloed van zwaartekracht, licht, supernova-explosies en alle krachten die materie door de ruimte bewegen. "We ontdekten dat gas zich ophoopt in detecteerbare filamenten", zei Ostricker.
Maar ze konden deze draden niet vinden - toen.
"Vanaf de eerste dagen van kosmologische modellering werd het duidelijk dat een aanzienlijk deel van de baryonische materie in een hete diffuse vorm buiten melkwegstelsels bestaat", zei een astrofysicus aan de Universiteit van Liverpool. John Moores Ian McCarthy. Astronomen dachten dat deze hete baryonen zouden corresponderen met een kosmische bovenbouw gemaakt van onzichtbare donkere materie die de gigantische holtes tussen sterrenstelsels opvult. De aantrekkingskracht van donkere materie moet gas aantrekken en verwarmen tot een temperatuur van enkele miljoenen graden. Helaas is het vinden van heet en ijl gas buitengewoon moeilijk.
Om de verborgen draden te ontdekken, gingen twee teams van wetenschappers onafhankelijk van elkaar op zoek naar precieze verstoringen van de relikwie-straling (nagloeien van de oerknal). Omdat licht uit het vroege universum door de ruimte stroomt, kan het worden beïnvloed door de gebieden waar het doorheen gaat. Met name elektronen in een heet geïoniseerd gas (dat een warm-heet intergalactisch medium vormt) moeten interageren met protonen uit de relictstraling, en wel op een zodanige manier dat dit de protonen extra energie geeft. Bijgevolg moet het spectrum van de CMB worden vervormd.
Promotie video:
Helaas vertoonden zelfs de beste CMB-kaarten (verkregen van de Planck-satelliet) dergelijke vervormingen niet. Ofwel was er geen gas, ofwel was de impact te zwak en onmerkbaar.
Maar wetenschappers van de twee teams waren vastbesloten om het zichtbaar te maken. Ze wisten uit computermodellen van het universum, waarin steeds meer details verschenen, dat gas zich tussen enorme sterrenstelsels zou moeten uitstrekken als een spinnenweb op een vensterbank. De Planck-satelliet heeft nergens het gas tussen paren sterrenstelsels kunnen zien. Dus bedachten de onderzoekers een manier om een zwak signaal een miljoen keer te versterken.
Ten eerste hebben ze catalogi van bekende sterrenstelsels gescand in een poging de juiste paren te vinden, dat wil zeggen sterrenstelsels die massief genoeg zijn en zo ver van elkaar verwijderd zijn dat er een vrij dicht web van gas tussen hen kan ontstaan. De astrofysici gingen toen terug naar de satellietgegevens, lokaliseerden elk paar sterrenstelsels en sneden dat gebied in wezen uit de ruimte met een digitale schaar. Met meer dan een miljoen knipsels in hun handen (dit is hoeveel het team van de afgestudeerde student Anna de Graaff van de Universiteit van Edinburgh had), begonnen ze te roteren, te vergroten en te verkleinen zodat alle paren van melkwegstelsels zichtbaar waren op dezelfde positie. Daarna legden ze een miljoen galactische paren over elkaar heen. Elkaar.(Een team van onderzoekers onder leiding van Hideki Tanimura van het Institute for Space Astrophysics in Orsay heeft 260.000 paren melkwegstelsels verzameld.) En toen werden de individuele filamenten, die spookachtige filamenten van heet ijl gas voorstellen, plotseling zichtbaar.
Deze methode heeft zijn nadelen. Volgens astronoom Michael Shull van de University of Colorado Boulder vereist interpretatie van de resultaten bepaalde aannames over de temperatuur en distributie van heet gas in de ruimte. En bij overlappende signalen “is er altijd bezorgdheid over de 'zwakke signalen' die het gevolg zijn van de combinatie van een enorme hoeveelheid data. "Zoals soms het geval is met sociologische enquêtes, kun je foutieve resultaten krijgen als uitschieters of willekeurige steekproeffouten in de uitsplitsing verschijnen die de statistieken vertekenen."
Mede op basis van deze overwegingen weigerde de astronomische gemeenschap deze kwestie als opgelost te beschouwen. Er was een onafhankelijke methode nodig om hete gassen te meten. Deze zomer verscheen hij.
Bakeneffect
Terwijl de eerste twee groepen onderzoekers signalen over elkaar heen legden, begon het derde team zich op een andere manier te gedragen. Deze wetenschappers begonnen een verre quasar te observeren, zoals ze een helder object miljarden lichtjaren verwijderd noemen, om gas te detecteren in de zogenaamd lege intergalactische ruimte waardoor het licht passeert. Het was als het onderzoeken van een straal van een baken in de verte om de mist die zich eromheen had verzameld te analyseren.
Wanneer astronomen dergelijke waarnemingen doen, zoeken ze meestal naar licht dat wordt geabsorbeerd door atomaire waterstof, aangezien dit element het meest in het universum is. Helaas is deze optie in dit geval uitgesloten. Het warm-hete intergalactische medium is zo gloeiend dat het waterstof ioniseert en het zijn enige elektron ontneemt. Het resultaat is een plasma van vrije protonen en elektronen die helemaal geen licht absorberen.
Daarom besloten wetenschappers op zoek te gaan naar een ander element: zuurstof. Zuurstof in een warm-heet intergalactisch medium is veel minder dan waterstof, maar atomaire zuurstof heeft acht elektronen, terwijl waterstof er één heeft. Door de hitte vliegen de meeste elektronen weg, maar niet allemaal. Dit onderzoeksteam, geleid door Fabrizio Nicastro van het Nationaal Instituut voor Astrofysica in Rome, volgde het licht dat werd geabsorbeerd door zuurstof, dat zes van zijn acht elektronen heeft verloren. Ze ontdekten twee gebieden met heet intergalactisch gas. "Zuurstof geeft een signaal dat de aanwezigheid van een veel groter volume waterstof en helium aangeeft", zegt Schull, die deel uitmaakt van Nikastro's team. De wetenschappers vergeleken vervolgens de hoeveelheid gas die ze tussen de aarde en de quasar vonden met het universum als geheel. Het resultaat toonde aan dat ze de ontbrekende 30% vonden.
Deze cijfers zijn ook vrij consistent met de conclusies van de studie van de CMB. "Onze teams keken naar verschillende stukjes van dezelfde puzzel en kwamen tot dezelfde conclusie, wat ons vertrouwen geeft gezien het verschil in onderzoeksmethoden", zei astronoom Mike Boylan-Kolchin van de Universiteit van Texas in Austin.
Shull zei dat de volgende stap zou zijn om meer quasars te observeren met een nieuwe generatie röntgen- en ultraviolette telescopen met hogere gevoeligheid. 'De quasar die we bekeken, was de beste en helderste vuurtoren die we konden vinden. Anderen zullen minder helder zijn en observaties zullen langer duren,”zei hij. Maar voor vandaag is de conclusie duidelijk. "We concluderen dat de ontbrekende baryonische materie is gevonden", schreven de wetenschappers.
Katya Moskvich (KATIA MOSKVITCH)
