Astronomen hebben bijna negen miljard jaar kosmische evolutie gereconstrueerd door de röntgenstraling van verre clusters van sterrenstelsels te volgen. De analyse ondersteunt het standaardmodel van de kosmologie, volgens welke de zwaartekracht van donkere materie – een nog steeds mysterieuze substantie – de belangrijkste issue is die de structuur van het heelal vormgeeft.

‘We zien geen afwijkingen van het standaardmodel van de kosmologie’, zegt Esra Bulbul, senior lid van het staff en astrofysicus bij het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica (MPE) in Garching, Duitsland. De resultaten worden beschreven¹ in een voordruk die op 14 februari on-line werd geplaatst.

De galactische clusters werden gespot op de meest gedetailleerde foto die ooit met behulp van röntgenstraling van de hemel werd gemaakt eind vorige maand gepubliceerd. Deze afbeelding onthulde ongeveer 900.000 röntgenbronnen, van zwarte gaten tot de overblijfselen van supernova-explosies.

Ruimtetelescoop gaat de eerste kaart van het heelal in hoogenergetische röntgenstraling in kaart brengen

De foto was het resultaat van de eerste zes maanden van de werking van eROSITA (Prolonged Roentgen Survey with an Imaging Telescope Array), een van de twee röntgentelescopen die in juli 2019 de ruimte in werden gelanceerd aan boord van het Russische ruimtevaartuig SRG (Spectrum-Roentgen- Gamma). eROSITA scant de hemel terwijl het ruimtevaartuig ronddraait en verzamelt gegevens over grotere hoeken dan mogelijk is voor de meeste andere röntgenobservatoria. Hierdoor kan hij elke zes maanden langzaam de hele hemel doorkruisen.

Door een ongebruikelijke regeling wordt het eROSITA-team in tweeën gesplitst – een groep gevestigd in Duitsland en een groep gevestigd in Rusland – en elk heeft exclusieve toegang tot eROSITA-gegevens uit slechts de helft van de hemel. De missie was oorspronkelijk bedoeld om acht keer de lucht te bestrijken. Maar de grootschalige invasie van Oekraïne in Oekraïne in 2022 bracht de Duitse regering ertoe haar samenwerkingen te bevriezen, en eROSITA werd stand-by gezet. Tegen die tijd had het vier volledige hemelscans voltooid.

De gegevens die Bulbul en haar medewerkers tot nu toe hebben gebruikt, kwamen uit hun deel van de hemel, verzameld tijdens de eerste scan. Toch behoren de resultaten nu al tot de meest nauwkeurige kosmologische metingen die ooit zijn gedaan. Het is onduidelijk wanneer de in Rusland gevestigde groep zijn gegevens en analyses zal publiceren.

Evoluerend universum

Door over grote afstanden te kijken, kijken telescopen zoals eROSITA ook terug in de tijd om de verschillende stadia van de kosmische evolutie te zien. Naarmate het heelal uitdijt, heeft de ruimte tussen sterrenstelsels de neiging groter te worden, maar tegelijkertijd worden sterrenstelsels naar elkaar toe getrokken door de zwaartekracht, inclusief die van henzelf en vooral die van donkere materie. Als gevolg hiervan vormen zich gigantische kosmische leegtes en breiden ze zich uit, en klontert de materie steeds meer samen tot een net van gigantische clusters van sterrenstelsels.

Kosmische kaart onthult een niet zo klonterig heelal

Astrofysicus Vittorio Ghirardini van het MPE werkte samen met Bulbul en andere medewerkers om de halo’s van intergalactisch gasoline rond meer dan 5.000 clusters van sterrenstelsels in 3D in kaart te brengen met behulp van een combinatie van de gegevens van eROSITA en een bestaande kaart gemaakt door de Darkish Vitality Survey (DES), die gebruik maakt van een telescoop in Chili. “Aangezien röntgenstralen zeer krachtig zijn in het detecteren van halo’s, kunnen we er heel zeker van zijn dat daar een hele grote structuur zit”, zegt Ghirardini.

De waarnemingen bestrijken een enorm gebied en tijdsperiode: ongeveer 9 miljard jaar. Hierdoor konden de onderzoekers enkele van de meest cruciale parameters van de kosmische evolutie berekenen, waaronder ‘klonterigheid’ – hoeveel de totale massa materie zich op een bepaald second in het kosmische net heeft geconcentreerd. In 2017 leken vergelijkbare berekeningen op foundation van alleen DES-gegevens aan te tonen² dat het net was geworden veel langzamer klonterig dan het standaardmodel voorspelt, maar volgens de laatste analyse is die discrepantie verdwenen. (Resultaten die vorig jaar openbaar werden gemaakt van een afzonderlijk kosmologie-experiment wezen ook op harmonie met het standaardmodel³.)

Neutrino-grens

Bovendien hebben de gegevens van de galactische clusters het staff in staat gesteld de rol van neutrino’s bij het vormgeven van het kosmische net te achterhalen. Grote hoeveelheden van deze elementaire deeltjes werden geproduceerd tijdens de oerknal, en hun lage massa en onwil om met andere deeltjes te interageren zorgen ervoor dat ze zich gedragen als donkere materie en halo’s rond sterrenstelsels vormen. Op foundation van deze informatie berekenden de astrofysici dat neutrino’s een massa van niet meer dan 0,22 elektronvolt konden hebben (een elektron heeft een massa van ongeveer 500.000 eV). “Dit zijn de meest nauwkeurige metingen van de neutrinomassa’s die beschikbaar zijn”, zegt Bulbul; laboratorium metingen op aarde tot nu toe hebben gevestigd⁴ een grotere bovengrens van 0,8 eV.

Ook al worden de observaties van eROSITA nooit hervat, het werk van het staff is nog niet voorbij. “We hebben nog veel meer gegevens waar we aan werken”, zegt Bulbul. Het staff zal uiteindelijk in staat zijn gashalo’s in kaart te brengen die kleiner, zwakker of verder weg zijn dan die in de huidige catalogus – en de nauwkeurigheid van de metingen te vergroten.

Hetzelfde geldt voor de andere soorten röntgenbronnen die door eROSITA in kaart zijn gebracht, zoals quasars, de intens heldere superzware zwarte gaten in de centra van veel sterrenstelsels. Onderzoek naar deze schat aan informatie is nog maar web begonnen, zegt eROSITA-woordvoerder Mara Salvato, astrofysicus bij de MPE. “Aan het einde van de missie verwachten we drie miljoen objecten te catalogiseren.”