Is ons beeld van het universum aan herziening toe?


Sinds Arno Penzias en Robert Wilson in 1965 de kosmische achtergrondstraling ontdekt hebben en op die manier het 'oerknalmodel' van Lemaître definitief bestaansrecht hebben gegeven, weten wij dat het universum een geschiedenis heeft. Het kende een begin en het maakte een evolutie door.

In de tweede helft van de vorige eeuw zijn astronomen er ook toe gekomen om een sluitend model op te stellen voor die evolutie. Één van de pijlers waarop dit model berust is de aanname dat het universum in alle richtingen op eenzelfde manier geëvolueerd is: het universum is dus isotroop. Op grote schaal ziet het er in alle richtingen uniform uit.

 

Wel of niet isotroop?

Volgens de resultaten van een recent onderzoek, verschenen op 8 april in Astronomy and Astrophysics, zou die isotropie echter in vraag moeten gesteld worden. Deze bewering heeft wel verregaande gevolgen. Mochten de resultaten van het onderzoek bevestigd worden, zou het ons nu vertrouwd heelalmodel aan herziening toe zijn.

Dit onderzoek werd gevoerd door Konstantinus Migkas, een doctoraal onderzoeker in de astrofysica aan de universiteit van Bonn, samen met zijn supervisor Thomas Reiprich. Zij hebben gegevens onderzocht van drie satellieten die de hemel afspeuren in het röntgengebied van het elektromagnetische spectrum. Het zijn de XMM-Newton (X-ray Multi Mirror) satelliet van ESA, de Chandra röntgensatelliet van NASA en de Duitse satelliet Rosat (Röntgen Satellit). Samen met collega's van de universiteit van Harvard hebben zij gegevens van meer dan 800 melkwegclusters aan een grondige analyse onderworpen.

 

Donkere materie

Melkwegclusters zijn groepen van soms duizenden sterrenstelsels die door onderlinge zwaartekracht in een groep, in een 'cluster', bij elkaar worden gehouden. Zo behoort ook onze eigen Melkweg tot een cluster, die we heel prozaïsch de 'Lokale Groep' noemen. Andere clusters zijn bijvoorbeeld de Virgo-, de Fornax- of de Herculescluster.

Die melkwegclusters stellen astronomen wel voor een groot probleem: ze draaien te snel rond hun gemeenschappelijk zwaartepunt. En ook al bevinden er zich tussen de melkwegstelsels van die clusters zeer hete gassen, toch blijkt hun totale massa onvoldoende om ze enkel door de zwaartekracht bijeen te kunnen houden.

 

m33_rotation_curve_hi2_0.gif
                                      Rotatiecurve sterrenstelsel M33, copyright: darkmatterdarkenergy.com

 

In 1933 kwam Fritz Zwicky reeds tot hetzelfde besluit bij zijn onderzoek van de Coma melkwegcluster, die ongeveer 300 miljoen lichtjaar ver ligt. Hij veronderstelde daarom dat er in die clusters een nog ongekende materie - donkere materie - aanwezig moest zijn. Helaas, over die donkere materie, die meer dan 20 procent van de massa van het universum zou vertegenwoordigen, weten wij vandaag nog steeds niet wat ze juist is.        

 

Significante verschillen in röntgenstraling

In hun recent onderzoek hebben Konstantinos Migkas en Thomas Reiprich met behulp van röntgenstraling de temperatuur gemeten van de zeer hete gassen die doorheen die clusters stromen, en hebben die vergeleken met de helderheid van de clusters.

Nu zou men mogen verwachten dat clusters met dezelfde eigenschappen, met vergelijkbare temperatuur, en die daarbij ongeveer even ver van ons verwijderd zijn ook even helder zouden moeten zijn. Maar dit blijkt niet het geval te zijn. In een bepaalde richting aan de hemel schenen de clusters minder helder te zijn dan men normaal zou kunnen verwachten; in een andere richting schenen die dan weer helderder dan verwacht. De waargenomen verschillen waren van de orde van 30 procent en dus significant. De waargenomen helderheid vertoonde een duidelijk patroon dat afhing van de richting waarin de waarnemingen aan de hemel gedaan werden.

 

nbW5kkrXPe7mCYGEwd8evn-650-80.jpg
                    Gemeten uitdijingssnelheid in het heelal, verschillend al naargelang de richting
                                       Copyright: University of Bonn, K. Migkas e.a.

 

De onderzoekers hebben uiteraard gezocht naar een mogelijke verklaring voor dit op het eerste gezicht toch eigenaardige resultaat. Waren er in die melkwegclusters nog andere gassen of stofwolken die de helderheid belemmerden? Waren er in bepaalde gebieden van de hemel misschien zeer massieve melkwegclusters actief met een impact op de er heersende zwaartekracht? Een plausibele uitleg voor het verschijnsel hebben ze niet gevonden.

 

Een nieuwe beeld van het universum?

Mocht blijken dat het universum werkelijk anisotropisch is, zou dit wel belangrijke gevolgen hebben voor de kosmologie. Bij elk onderzoek naar de eigenschappen van hemelobjecten zou men dan, naast de parameters die men nu reeds gebruikt, ook nog rekening moeten houden met de richting waarin de waarnemingen verricht worden.

Maar het is te vroeg om nu al definitieve besluiten te trekken. Volgens Norbert Scharrel, een wetenschapper bij de ESA, zijn de bekomen resultaten zeker zeer boeiend, maar hij vindt het voorbarig om er nu reeds een definitieve conclusie uit te trekken. In de toekomst moet zeker nog verder onderzoek aan dit onderwerp gewijd worden.  

Verder onderzoek zal ook moeten uitwijzen of donkere materie hierin een rol speelt. En welke rol speelt de donkere energie, die ongeveer 70 procent vertegenwoordigt van alle materie van het universum? Over die donkere energie, belangrijk voor de verklaring van de expansie van het universum, weten we momenteel zo goed als niets. 

 

Wachten op Euclides

Men mag daarbij ook niet vergeten dat de bekomen resultaten betrekking hebben op een te beperkt aantal clusters om er nu reeds algemene besluiten uit te trekken. "Als wij aan ons kosmologisch model willen sleutelen, dan zal dit moeten gebeuren op basis van veel meer data" zegt René Laureijs, een wetenschapper die bij de ESA actief betrokken is bij het project Euclides. Euclides is een telescoop die normaal gezien in 2022  zal gelanceerd worden met de bedoeling een groot aantal melkwegstelsels te onderzoeken om zo onder andere een beter inzicht te bekomen over de eventuele rol van de donkere energie in de expansie van het universum.  

Conclusie: al zijn de bekomen resultaten van het onderzoek van Migkas en Reiprich merkwaardig, toch is het inderdaad te vroeg om reeds definitieve besluiten te trekken uit de pas bekomen resultaten. 

 

Tekst: Emile Beyens, maart 2020

Bron: ScienceDaily