Duistere samenscholingen oktober 2009 Eos

Sterrenstelsels zijn gezelschapsdieren. Ware Einzelgängers zijn zeldaam; je komt sterrenstelsels vrijwel altijd tegen in groepen en clusters. Onderzoek aan die kosmische samenscholingen levert verrassende inzichten op over de mysterieuze donkere materie in het heelal.

Sinds eind jaren tachtig van de vorige eeuw hebben sterrenkundigen een redelijk beeld van de groteschaalstructuur van het heelal. Die heeft een sterk hiërarchisch karakter. Afzonderlijke sterrenstelsels, zoals ons eigen Melkwegstelsel, zijn niet gelijkmatig in de ruimte verdeeld. In plaats daarvan zijn ze verenigd in groepen. Die groepen vormen samen grotere clusters. Afzonderlijke clusters zijn op hun beurt aaneengeregen tot gigantische superclusters. In die clusters en superclusters zijn vrijwel alle sterren te vinden; de ruimte tussen deze kolossale structuren is donker en vrijwel leeg.

Lang voordat de ware aard van nevelvlekjes aan het firmament bekend was, realiseerden sterrenkundigen zich al dat ze niet gelijkmatig over de hemel zijn verdeeld. William Herschel was eind achttiende eeuw begonnen met het catalogiseren van nevels, en al snel bleek dat die in sommige richtingen veel talrijker zijn dan in andere. Zo werden er bijvoorbeeld veel nevels ontdekt in het sterrenbeeld Maagd (Virgo). Hoewel niemand indertijd wist hoe ver de afzonderlijke nevels van de aarde verwijderd zijn, leek het onwaarschijnlijk dat hier sprake was van een toevallige, schijnbare groepering van objecten op heel verschillende afstanden. In plaats daarvan werd algemeen aangenomen dat de nevels echt in de ruimte zijn ‘geclusterd’.

In de loop van de jaren twintig kwam onomstotelijk vast te staan dat de duizenden spiraalnevels en elliptische nevels die tot dusver waren ontdekt, stuk voor stuk complete sterrenstelsels zijn zoals ons eigen Melkwegstelsel kolossale verzamelingen van tientallen of honderden miljarden sterren. En na de ontdekking van de uitdijing van het heelal, eind jaren twintig door Edwin Hubble, beschikten astronomen ook over een ruwe methode om de afstanden tot die sterrenstelsels te bepalen: hoe groter de afstand, des te langer is het licht van het stelsel onderweg geweest naar de aarde, en des te sterker zijn de lichtgolven uitgerekt door de kosmische uitdijing. De zogeheten roodverschuiving in het licht van een ver verwijderd sterrenstelsel is dus een directe maat voor de afstand.

Dankzij roodverschuivingsmetingen werd al snel duidelijk dat sterrenstelsels inderdaad bij elkaar staan in groepen en clusters. De vele nevelvlekjes die William Herschel in het sterrenbeeld Maagd had ontdekt, vormen bijvoorbeeld de zogeheten Virgo-cluster een enorme verzameling van sterrenstelsels op een afstand van ongeveer zestig miljoen lichtjaar. Kennelijk worden de afzonderlijke stelsels bij elkaar gehouden door de onderlinge zwaartekracht.Als trage bijen in een grote zwerm beschrijven ze willekeurig georiënteerde ellipsbanen rond het gemeenschappelijk zwaartepunt.

Donkere materie
Het waren metingen aan die bewegingssnelheden die een kleine tachtig jaar geleden al uitwezen dat er in het heelal grote hoeveelheden donkere materie moeten voorkomen. De Zwitsers-Amerikaanse astronoom Fritz Zwicky rekende op overtuigende wijze voor dat de stelsels in een cluster veel sneller bewegen dan je zou verwachten op basis van de totale massa van de cluster. Die massabepaling was gebaseerd op de waargenomen helderheid van de afzonderlijke clusterleden. Kennelijk bevatten clusters van sterrenstelsels veel donkere materie, die niet met telescopen te zien is, maar die wel zwaartekracht op zijn omgeving uitoefent. Zwicky publiceerde zijn conclusie kort nadat de Nederlandse sterrenkundige Jan Oort ook met aanwijzingen kwam voor het bestaan van donkere materie in ons eigen Melkwegstelsel.

Naarmate de telescopen groter en gevoeliger werden, ontdekten sterrenkundigen steeds meer clusters van sterrenstelsels op grote afstanden van het Melkwegstelsel: honderden miljoenen of zelfs enkele miljarden lichtjaren. George Abell stelde in 1958 als eerste een catalogus op van 2712 clusters aan de noordelijke hemel, waarbij hij zich baseerde op een arbeidsintensieve visuele inspectie van fotografische platen die gemaakt waren met de Schmidt-telescoop van de Palomar-sterrenwacht in Californië.Later werd die catalogus uitgebreid met 1361 clusters aan de zuidelijke hemel. Nog steeds worden clusters vaak met hun Abell-nummer aangeduid.

In datzelfde jaar 1958 werd ook het bestaan van nog grotere structure nontdekt: superclusters. Niet door observationele astronomen, maar door wiskundigen. Jerzy Neyman en Elizabeth Scott lieten hun statistische analyses los op sterrenstelseltellingen van Carl Shane en Carl Wirtanen van de Lick-sterrenwacht. Uit die analyse bleek zonneklaar dat er ook op een schaal van tientallen miljoenen lichtjaren sprake is van een ongelijkmatige verdeling. Zo ontstond langzaam maar zeker het huidige beeld van de groteschaalstructuur van het heelal, waarbij groepen en clusters van sterrenstelsels aaneengeregen zijn tot langgerekte superclusters, onderling gescheiden door uitgestrekte lege ‘holtes’.

De grootst bekende structuur in het heelal is het Pisces-Cetus-superclustercomplex, waarvan het bestaan in 1987 werd ontdekt door Brent Tully van de Universiteit van Hawaii. Deze extreem langgerekte ‘sliert’ van sterrenstelsels (die genoemd is naar de sterrenbeelden waarin de meeste stelsels zich vanaf de aarde gezien bevinden) heeft een geschatte ‘dikte’ van ongeveer 150 miljoen lichtjaar, en strekt zich uit over een lengte van niet minder dan één miljard lichtjaar. In feite gaat het om een aantal afzonderlijke superclusters die min of meer in elkaars verlengde liggen. Eén van die superclusters is de Lokale Supercluster, waarvan het bestaan in de jaren vijftig al werd gesuggereerd door de Frans-Amerikaanse astronoom Gérard de Vaucouleurs.

De Lokale Supercluster heeft een langgerekte, afgeplatte vorm met een grootste afmeting van meer dan honderd miljoen lichtjaar. Hij bestaat uit een slordige honderd afzonderlijke groepen en clusters van sterrenstelsels, met uiteenlopende afmetingen. Verreweg de grootste cluster in de Lokale Supercluster is de eerder genoemde Virgo-cluster, die een kleine tweeduizend individuele sterrenstelsels telt. In de buitengebieden van de Lokale Supercluster is de veel kleinere Fornax-cluster te vinden, met hooguit een paar honderd stelsels. En ergens halverwege Virgo en Fornax bevindt zich een groepje van drie grote spiraalstelsels en enkele tientallen dwergstelseltjes. Dat is de Lokale Groep, waar ons Melkwegstelsel deel van uitmaakt.

Intraclustergas
Met het in kaart brengen van de groteschaalstructuur van het heelal was het raadsel van de donkere materie echter nog steeds niet opgelost. Sterker:dankzij precisiemetingen aan de rotatiesnelheden van sterrenstelsels, verricht door de Amerikaanse astronomen Vera Rubin en Kent Ford en de Nederlander Albert Bosma, bleek in de jaren zeventig dat ook individuele sterrenstelsels grote hoeveelheden donkere materie moeten bevatten, zelfs tot op afstanden ver buiten de zichtbare buitenrand van de stelsels.

Röntgenwaarnemingen met wetenschappelijke kunstmanen in een baan om de aarde wezen uit dat de ruimte tussen de afzonderlijke sterrenstelsels in een cluster in elk geval veel extreem heet gas bevat. Dat gas is weliswaar zeer ijl slechts enkele atomen per kubieke decimeter maar het heeft een buitengewoon hoge temperatuur van vele tientallen miljoenen graden. Daardoor zendt het uitsluitend energierijke röntgenstraling uit, en omdat die straling niet door de aardse dampkring dringt, was het zogeheten ‘intraclustergas’ nooit eerder ontdekt. Al snel werd duidelijk dat de totale massa van het clustergas ongeveer twee keer zo hoog is als de massa van alle sterrenstelsels in de cluster bij elkaar.

Het intraclustergas bestaat voor het overgrote deel uit negatief geladen elektronen en positief geladen waterstof- en heliumkernen: de twee elementen waaruit het pasgeboren heelal bestond. Er komen echter ook kleine hoeveelheden zwaardere elementen in voor, zoals koolstof en zuurstof. Die elementen zijn in het binnenste van sterren ontstaan en bij supernova-explosies de ruimte in geblazen. Kennelijk zijn sommige van die explosies zo krachtig dat het gas zelfs het sterrenstelsel wordt uitgeblazen. Een ander deel van het intraclustergas is afkomstig van actieve sterrenstelsels die energierijke jets van elektrisch geladen deeltjes uitspuwen. Met de ontdekking van het intraclustergas bleken clusters van sterrenstelsels gemiddeld drie keer zo zwaar te zijn als ze er op het eerste gezicht uitzagen.

Toch was het mysterie van de hoge bewegingssnelheden van sterrenstelsels in clusters daarmee nog steeds niet van de baan. Om de waargenomen snelheden te verklaren, moet er naar schatting nog eens zes keer zo veel materie in een cluster aanwezig zijn. De metingen aan de rotatiesnelheden van individuele sterrenstelsels leidden tot een vergelijkbare conclusie. Uit zwaartekrachtberekeningen bleek keer op keer dat het overgrote deel van de materie in het heelal echt donker en onzichtbaar is, en dus ook geen röntgenstraling uitzendt. De donkere materie kan zelfs niet uit gewone atomen en moleculen bestaan (zogheten ‘baryonische’ materie), anders zou het heelal als geheel een merkbaar andere samenstelling moeten hebben doordat de kernfusiereacties tijdens de oerknal dan een ander verloop te zien hadden gegeven. In plaats daarvan bestaat de raadselachtige donkere materie waarschijnlijk uit tot dusver onbekende elementaire deeltjes.

Het bestaan van zulke ‘niet-baryonische’ donkere materie wordt overigens voorspeld door verschillende natuurkundige theorieën die proberen een brug te slaan tussen de kwantumfysica en de relativiteitstheorie. Algemeen wordt aangenomen dat het om zware elementaire deeltjes gaat die wel zwaartekracht uitoefenen maar verder vrijwel op geen enkele manier met elkaar (of met ‘gewone’ materie) in wisselwerking treden. Deze ‘weakly interacting massive particles’ (WIMPs) zouden in de prille jeugd van het heelal als eerste zijn samengeklonterd, en op die manier de vorming van sterrenstelsels mogelijk hebben gemaakt: met hun zwaartekracht trokken die eerste ‘donkere materie-halo’s’ ook het waterstof- en heliumgas aan waaruit later de eerste sterren zouden ontstaan.

Naar WIMPs wordt op verschillende manieren gezocht. Als ze in grote hoeveelheden voorkomen in het heelal, moeten ze ook in onze directe omgeving aanwezig zijn. Héél af en toe kan er een reactie optreden tussen zo’n donkeremateriedeeltje en een proton of een neutron in de kern van een atoom, en met gevoelige experimenten in ondergrondse deeltjeslaboratoria wordt naar de subtiele vingerafdrukken van zulke reacties gezocht. Die zijn tot op heden echter niet gevonden. Daarnaast proberen sterrenkundigen met speciale telescopen op aarde en in de ruimte de gammastraling te detecteren die geproduceerd zou moeten worden wanneer donkeremateriedeeltjes met zichzelf in wisselwerking treden. Ook die pogingen hebben tot nu toe echter geen overtuigende resultaten opgeleverd.

De Bullet Cluster
Een kleine groep dissidente astronomen, waaronder de Groningse hoogleraar Bob Sanders, denkt dat donkere materie helemaal niet bestaat. De waargenomen hoge bewegingssnelheden van sterrenstelsels in clusters en de hoge rotatiesnelheden van de buitendelen van individuele sterrenstelsels geven volgens hen aan dat er iets mis is met onze ideeën over de zwaartekracht. In de door hen verdedigde MOND-theorie (MOdified Newtonian Dynamics) neemt zwaartekracht bij extreem lage versnellingen lineair af met afstand, in plaats van met het kwadraat ervan. Maar hoewel de MOND-theorie enkele opzienbarende successen heeft geboekt, wordt zij door de meeste wetenschappers niet erg serieus genomen.

Waarnemingen aan de zogeheten Bullet Cluster zouden zelfs flagrant in tegenspraak zijn met de voorspellingen van MOND, aldus de Amerikaanse astronoom Douglas Clowe en zijn collega’s. Volgens MOND zou de zwaartekracht in een cluster altijd op dezelfde manier verdeeld moeten zijn als de materie, maar in de Bullet Cluster is dat niet het geval. De Bullet Cluster staat op een afstand van bijna vier miljard lichtjaar. In feite gaat het om twee clusters van sterrenstelsels die zo’n 150 miljoen jaar geleden met een onderlinge snelheid van ongeveer 4500 kilometer per seconde met elkaar in botsing zijn gekomen. De cluster is enkele jaren geleden in detail bestudeerd door de Hubble Space Telescope en door het Amerikaanse Chandra X-ray Observatory, een ruimtetelescoop voor röntgenastronomie.

Wanneer twee clusters met elkaar botsen, voelen de afzonderlijke sterrenstelsels natuurlijk wel elkaars zwaartekracht, maar de kans dat twee stelsels daadwerkelijk met elkaar in botsing komen is vrij klein. Andersgezegd: de twee zwermen van sterrenstelsels bewegen relatief ongehinderd ‘door elkaar heen’. Voor het hete intraclustergas van de twee clusters geldt dat echter niet dat wordt sterk afgeremd (en extra verhit) en blijft achter ten opzichte van de sterrenstelsels. De Chandra-waarnemingen van de Bullet Cluster laten inderdaad zien dat de meest energierijke röntgenstraling afkomstig is uit een gebied dat ongeveer halverwege de twee afzonderlijke clusters ligt.

Dankzij de gedetailleerde foto’s die met de Hubble Space Telescope zijn gemaakt, is echter ook de zwaartekrachtverdeling in de Bullet Cluster in kaart gebracht. Het zwaartekrachtsveld van de cluster veroorzaakt minieme afbuigingen en vervormingen in de beeldjes van nog veel verder weg gelegen sterrenstelsels, en uit een statistische analyse van die vervormingen kan een ‘zwaartekrachtskaart’ van de cluster worden samengesteld. Het blijkt dat de meeste zwaartekracht gecentreerd is rond de twee afzonderlijke clusters, en niet rond het hete intraclustergas halverwege.

Dat is precies wat je zou verwachten als die zwaartekracht voornamelijk wordt opgewekt door de niet-baryonische donkere materie in de twee clusters.Omdat die donkeremateriedeeltjes vrijwel geen wisselwerking met elkaar of met andere materie vertonen, worden ze tijdens de botsing namelijk niet afgeremd (zoals het gas), maar passeren ze elkaar ongehinderd, zodat ze dezelfde verdeling behouden als de sterrenstelsels in de cluster. Met de MOND-theorie is veel moeilijker te verklaren waarom de zwaartekrachtverdeling er heel anders uitziet dan de verdeling van het hete intraclustergas.

Inmiddels zijn van flink wat clusters van sterrenstelsels zwaartekrachtkaarten samengesteld. De daarbij gehanteerde techniek van de ‘zwakke lenswerking’ (de subtiele maar systematische vervorming van verreachtergrondstelsels) heeft het zelfs mogelijk gemaakt om ruwe driedimensionale kaarten van de verdeling van donkere materie in het heelal te maken. Op die manier biedt het onderzoek aan clusters van sterrenstelsels een unieke gelegenheid om meer te weten te komen over een van de grootste raadsels in de moderne kosmologie: de verdeling en samenstelling van het overgrote deel van de materie in het heelal donkere materie die op geen enkele andere wijze waargenomen kan worden.

Definitief uitsluitsel over de ware aard van de mysterieuze donkere materie zal echter nog wel even op zich laten wachten, en vermoedelijk zal de hulp van deeltjesfysici daarbij onontbeerlijk blijken te zijn. De precieze wijze waarop die donkere materie in de loop van de kosmische geschiedenis is samengeklonterd tot de ‘kiemen’ van de eerste sterrenstelsels en de oorsprong van de opmerkelijk hiërarchische groteschaalstructuur van het heelal kunnen echter op geen enkele manier beter worden bestudeerd dan via het onderzoek aan verdeling, structuur, dynamica en eigenschappen van clusters van sterrenstelsels.

Kader 1 - Het kosmische web
Computersimulaties van de evolutie van het heelal doen vermoeden dat de donkere materie in eerste instantie ‘samengeklonterd’ moet zijn in een soort kosmsiche spinneweb van dunne ‘vliezen’ en draderige filamenten, met daartussen uitgestrekte lege holtes. Gewone materie (voornamelijk waterstof en helium) werd na verloop van tijd door deze donkerematerieconcentraties aangetrokken, en hoopte zich ook op in dat ‘kosmische web’. Daarbij ontstonden de grootste verdichtingen op de knooppunten van de filamenten; in die gebieden vormden zich de huidige clusters van sterrenstelsels.

Om het bestaan van dat kosmische web aan te tonen, bestuderen sterrenkundigen het licht van zeer ver verwijderde quasars. Sterk geïoniseerde zuurstofatomen in het kosmische web absorberen een deel van dat quasarlicht, op heel specifieke golflengten. Op die manier laten ze een subtiele maar herkenbare vingerafdruk achter in het spectrum van de quasar.Inderdaad zijn op die manier overtuigende aanwijzingen gevonden voor het bestaan van langgerekte slierten van zeer ijl gas in de ruimte tussen afzonderlijke clusters.

In 2008 is voor het eerst röntgenstraling gedetecteerd van het ijle, hete gas in zo’n filament. Daartoe werd de Europese röntgentelescoop XMM-Newton gericht op de twee clusters Abell 222 en Abell 223, die zich op 2,3 miljard lichtjaar afstand van de aarde bevinden. De twee clusters staan vanaf de aarde gezien schuin achter elkaar, zodat het verbindende filament vrijwel exact in de kijkrichting ligt. Daardoor was de zwakke röntgenstraling gemakkelijker waarneembaar dan bij een langgerekt filament dat van opzij wordt gezien.

Kader 2 - De Grote Aantrekker
Nauwkeurige metingen aan de kosmische achtergrondstraling het zwakke overblijfsel van de energierijke straling die kort na de oerknal werd uitgezonden heeft uitgewezen dat ons Melkwegstelsel met een snelheid van ongeveer 600 kilometer per seconde in de richting van het zuidelijke sterrenbeeld Centaurus beweegt. Ook de andere sterrenstelsels in de Lokale Groep, en zelfs de complete Lokale Supercluster nemen aan die beweging deel.

De oorzaak van deze grootschalige migratie is een gigantische supercluster van vele tienduizenden sterrenstelsels op een afstand van ongeveer 250 miljoen lichtjaar. Het bestaan daarvan kwam in 1986 voor het eerst aan het licht, hoewel de supercluster moeilijk waarneembaar is doordat hij schuil gaat achter absorberende stofwolken in ons eigen Melkwegstelsel. De supercluster werd door de ontdekkers de Great Attractor (‘Grote Aantrekker’) genoemd.

Overigens zijn sommige astronomen van mening dat de Grote Aantrekker onvoldoende massa bevat om de beweging van de Lokale Supercluster volledig te verklaren. De ware oorzaak zou gelegen zijn in het bestaan van een nóg veel grotere en zwaardere supercluster op 650 miljoen lichtjaar afstand: de Shapley-supercluster, genoemd naar de Amerikaanse astronoom Harlow Shapley die als eerste constateerde dat zich in de richting van het sterrenbeeld Centaurus een ongewoon groot aantal ver verwijderde sterrenstelsels bevindt.

© Govert Schilling