Kosmische ‘zaklamp’ spoort raadselachtige materie op

Eén van de meest fascinerende inzichten van de hedendaagse kosmologie is dat onze kennis over het heelal zich beperkt tot 5 procent ervan. Donkere energie gaat met 68 procent aan de haal, terwijl donkere materie goed is voor 27 procent van de energie-inhoud van onze kosmos. De aard van die donkere energie en donkere materie houdt kosmologen al geruime tijd uit hun slaap.

Iets minder bekend, maar daarom niet minder raadselachtig, is dat zelfs zowat de helft van die 5 procent tot dusver voor ons verborgen blijft. Het gaat om ‘normale’ – in het jargon baryonische – materie, waaruit niet alleen wijzelf, maar ook gaswolken, sterren, planeten, kometen en andere hemellichamen opgebouwd zijn.

Jean-Pierre Macqaurt, als hoogleraar radiosterrenkunde verbonden aan de Curtin University in Australië, J. Xavier Prochaska, hoogleraar astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Californië in Santa Cruz  en hun collega’s zijn ervan overtuigd dat ze het ‘probleem van de verborgen baryonen’ nu opgelost hebben.

Gasslierten tussen sterrenstelsels als schuilplaats

Het aandeel van deze baryonische materie halen we uit schattingen op basis van de komische achtergrondstraling – de nagloed van de Oerknal – en onze theorie over de vorming van atoomkernen (nucleosynthese) in de beginfase van het heelal. Maar wanneer we de baryonische materie vervat in sterrenstelsels bij elkaar harken, vinden we dus beduidend minder dan verwacht.

Macquart: “We vonden nog niet de helft van wat er aan baryonische materie zou moeten zijn in het heelal. Behoorlijk pijnlijk. Maar de ruimte is dan ook bijzonder ijl. De ontbrekende baryonen komen overeen met één of twee atomen in een doorsnee kantoorruimte. Geen wonder dat je ze met traditionele technieken en telescopen niet detecteert.”

Het vermoeden dat de ‘verborgen baryonen’ zich in gasslierten tussen sterrenstelsels ophouden, kreeg de afgelopen jaren bevestiging door quasars, bronnen van X-straling en de kosmische achtergrondstraling als natuurlijke lichtbron te gebruiken. Zonder meer een mooi resultaat, maar bij elk van deze technieken krijg je slechts stukjes en brokjes van deze aandachtschuwe baryonen zien.

Fast Radio Bursts als kosmische zaklantaarn

Het team van Macqaurt en Prochaska heeft daar nu verandering in gebracht. Ze zijn er voor het eerst in geslaagd om een betrouwbare kwantitatieve schatting te maken van de hoeveelheid verborgen baryonen. Dat deden ze door gebruik te maken van Fast Radio Bursts (FRB’s). Dit zijn heldere lichtflitsen, afkomstig van buiten ons melkwegstelsel. Geen mens die weet wat aan de basis ligt van die gigantische energie-uitbarstingen die nauwelijks enkele milliseconden duren.

Maar in dit verhaal bewijzen ze ons een mooie dienst. De vermiste baryonen in de gasslierten tussen sterrenstelsels verstrooien het licht van de FRB’s als een prisma. Hoe meer materie het pad van de lichtflits kruist, hoe meer verstrooiing. Als je die verstrooiing meet en de afstand tot de bron van de FRB kan achterhalen, bekom je de dichtheid van de materie in de gasslierten. Dit lukte door de ASKAP-radiotelescoop in Australië te combineren met de Very Large Telescope in Chili.

Door dit procedé op een zestal FRB’s uit verschillende sterrenstelsels toe te passen, ontstaat volgens de onderzoekers een voldoende betrouwbaar beeld van de totale baryonische materiedichtheid in het heelal. Al had het voor andere astronomen toch net iets meer mogen zijn.

En het mag wel een keertje meezitten: de onafhankelijk verkregen meetwaarde is helemaal consistent met wat je verwacht op basis van de kosmische achtergrondstraling en de nucleosynthese in het vroege heelal. Het lijkt er dan ook op dat deze ‘opsporing verzocht’ na twintig jaar zijn beslag gekregen heeft.

De bevindingen zijn op 27 mei 2020 gepubliceerd in Nature.

Fotocredit: ICRAR