22 augustus 2017

Donkere materie mogelijk gelijkmatiger verdeeld dan gedacht

Kaart van de donkere materie in het KiDS-surveygebied G12

Kaart van de donkere materie in het KiDS-surveygebied G12

Analyse van een omvangrijke nieuwe survey van sterrenstelsels, gedaan met ESO’s VLT Survey Telescope in Chili, wijst erop dat de donkere materie een geringere dichtheid heeft en gelijkmatiger over de ruimte is verdeeld dan tot nu toe werd gedacht. Een internationaal team heeft gegevens van de Kilo Degree Survey (KiDS) gebruikt om te onderzoeken hoe het licht van ongeveer 15 miljoen verre sterrenstelsels is beïnvloed door de zwaartekracht van de grootschalige materieverdeling in het heelal. De resultaten lijken in strijd te zijn met eerdere resultaten van de Planck-satelliet.

Hendrik Hildebrandt van het Argelander-Institut für Astronomie in Bonn, Duitsland, en Massimo Viola van de Sterrewacht Leiden hebben leiding gegeven aan een team astronomen van instituten van over de hele wereld1 die beelden hebben verwerkt van de Kilo Degree Survey (KiDS), die gedaan is met ESO’s VLT Survey Telescope (VST) in Chili. Voor hun analyse hebben zij opnamen gebruikt van vijf hemelgebieden die tezamen ongeveer 2200 keer zo groot zijn als de volle maan2 en ongeveer 15 miljoen sterrenstelsels bevatten.

Door de uitmuntende beeldkwaliteit van de VST op de top van Paranal te benutten en geavanceerde computersoftware toe te passen, is het team erin geslaagd om een van de meest nauwkeurige metingen ooit te doen van een effect dat cosmic shear (‘kosmische verschuiving’) wordt genoemd. Dit is een subtiele variant van het zwakke zwaartekrachtlenseffect, waarbij het licht van verre sterrenstelsels een beetje wordt afgebogen door het zwaartekrachtseffect van grote hoeveelheden materie, zoals clusters van sterrenstelsels.

Kaart van de donkere materie in het KiDS-surveygebied G9

Kaart van de donkere materie in het KiDS-surveygebied

Bij cosmic shear zijn het geen clusters die het licht afbuigen, maar grootschalige structuren in het heelal. Het uiteindelijke effect is nóg kleiner. Daarom hebben astronomen zeer omvangrijke en diepe surveys zoals KiDS nodig om het zeer zwakke signaal van de cosmic shear te kunnen meten en aan de hand daarvan de verdeling van de kosmische materie in kaart te brengen. Bij deze nieuwe survey is met behulp van deze techniek een groter hemelgebied in kaart gebracht dan bij eerdere onderzoeken.

Verrassend genoeg lijken de resultaten van de analyse in strijd te zijn met conclusies die gebaseerd zijn op resultaten van de Planck-satelliet van het Europese ruimteagentschap ESA, de belangrijkste ruimtemissie waarmee de fundamentele eigenschappen van het heelal zijn onderzocht. Met name de meting die het KiDS-team heeft gedaan van de ‘klonterigheid’ van de kosmische materie – een cruciale kosmologische parameter – komt aanzienlijk lager uit dan de waarde die uit de Planck-gegevens is afgeleid3.

Massimo Viola legt uit: ‘Dit nieuwe resultaat wijst erop dat de donkere materie in het kosmische web, die ongeveer een kwart van de inhoud van het heelal vertegenwoordigt, minder klonterig is dan we tot nu toe dachten.

Donkere materie blijft een ongrijpbare substantie. Het bestaan ervan kan alleen worden afgeleid uit de zwaartekrachtsinvloed die zij uitoefent. Onderzoeken als deze zijn op dit moment de beste manier om de vorm, schaal en verdeling van dit onzichtbare materiaal te bepalen.

Het verrassende resultaat van dit onderzoek heeft ook implicaties voor ons grotere begrip van het heelal, en hoe dit in de loop van zijn ongeveer 14 miljard jaar lange bestaan is geëvolueerd. Het klaarblijkelijk gebrek aan overeenstemming met de eerdere Planck-resultaten betekent dat astronomen nu wellicht hun inzichten omtrent enkele fundamentele  aspecten van de kosmische evolutie moeten bijstellen.

Hendrik Hildebrandt licht toe: ‘Onze bevindingen zullen onze theoretische modellen van hoe het heelal zich sinds het begin heeft ontwikkeld helpen verfijnen.

De KiDS-analyse van gegevens van de VST is een belangrijke stap, maar naar verwachting zullen toekomstige telescopen nog omvangrijkere en diepere hemelsurveys gaan doen.

Mede-onderzoeksleider Catherine Heymans van de Universiteit van Edinburgh (VK) voegt daaraan toe: ‘Ontrafelen wat er sinds de oerknal is gebeurd is een ingewikkelde onderneming, maar door het verre heelal te blijven onderzoeken kunnen we ons een beeld vormen van hoe ons huidige heelal tot stand is gekomen.

We zien nu een intrigerende discrepantie met de Planck-kosmologie. Toekomstige missies zoals de Euclid-satelliet en de Large Synoptic Survey Telescope zullen ons in staat stellen om de metingen te herhalen en beter te begrijpen wat het heelal ons nu eigenlijk vertelt,’ concludeert Konrad Kuijken (Sterrewacht Leiden), die onderzoeksleider van de KiDS-survey is. Bron: ESO.

Noten
  1. Het internationale KiDS team bestaat uit wetenschappers uit Duitsland, Nederland, het Verenigd Koninkrijk, Australië, Italië, Malta en Canada. []
  2. Dit komt overeen met ongeveer 450 vierkante graad of iets meer dan één procent van de volledige hemel. []
  3. De gemeten parameter heet S8. De waarde ervan is een combinatie van de grootte van dichtheidsfluctuaties in, en de gemiddelde dichtheid van, een stuk heelal. Grote fluctuaties in gebieden van geringere dichtheid hebben een vergelijkbaar effect als kleinere fluctuaties in gebieden van grotere dichtheid, en waarnemingen van het zwakke zwaartekrachtlenseffect kunnen geen onderscheid maken tussen beide. De 8 verwijst naar een celgrootte van 8 megaparsec – de maat die volgens afspraak bij onderzoeken als deze wordt gebruikt. []

Reacties

  1. evandijkenevandijken zegt:

    Als een zeer grote hoeveelheid materie in staat is om licht af te buigen, dan moet zolang dat licht voortsnelt door het heelal, steeds meer materie achter zich krijgen en daardoor de snelheid afnemen?

    • Licht buigt af onder invloed van materie, maar de snelheid verandert niet. Licht wordt niet vertraagd door materie.

    • Nog exacter: massa, en energie, buigt/kromt de ruimtetijd en gezien fotonen door deze ruimtetijd reizen lijkt het als de fotonen worden afgebogen, terwijl het foton eigenlijk gewoon rechtdoor gaat. Ik vergelijk het altijd met de schuin opstaande bochten van de indy500 oval, het stuur kan je recht houden, maar de auto maakt toch een bocht. En zoals arie al zei wordt het foton ook niet vertraagd door deze actie.

  2. Over de snelheid van fotonen gesproken, ik heb zojuist een blogje gewijd aan het 340 jarige jubileum van de eerste echte meting van de lichtsnelheid: http://www.astroblogs.nl/2016/12/07/340-jaar-geleden-bepaalde-romer-de-lichtsnelheid-google-viert-het-met-deze-doodle/

  3. Gewaagde uitspraak, De ruimte/tijd dijt in elke richting uit met de “lichtsnelheid”, het licht wordt als het ware meegenomen met deze uitdijing en daarom is natuurlijk de lichtsnelheid altijd gelijk en ook de max. snelheid. Reis je met de lichtsnelheid dan staat de tijd stil, heel logisch dan.

    • evandijkenevandijken zegt:

      Nog gewaagder: De ruimte/tijd dijt in elke richting uit met de “lichtsnelheid”, het licht wordt als het ware meegenomen met deze uitdijing en daarom is natuurlijk de lichtsnelheid in relatie tot de uitdijing altijd NUL. 🙂

    • descheleschilder zegt:

      Té gewaagd: als er elke seconde in elke richting 300 000 kilometer extra ruimte tevoorschijn komt zal het licht vanuit mij gezien een variabele snelheid hebben die afhankelijk is van het punt in de ruimte waarna ik kijk. In het punt waar ik mij bevind lijkt de lichtsnelheid 600 000 (km/sec), op één lichtseconde afstand zal de lichtsnelheid 900 000 (km/sec) lijken, op twee lichtseconden 1 200 000 (km/sec) op drie lichtseconden 1 500 000 (km/sec), etc. De schijnbare lichtsnelheid neemt lineair met de afstand toe.
      Bovendien zal bij zo’n grote uitdijingssnelheid de afstand van de aarde tot de zon in rap tempo toenemen en zal de zon alsmaar zwakker gaan schijnen, tot je er de vreselijke bibbers van krijgt en, naar het schijnt, vredig heengaat.
      Zelfs de e.m. wisselwerking tussen de atomen in een molecuul zal zo’n uitdijing niet kunnen bijbenen. Over wat er dan met je gebeurt durf ik niet eens na te denken. Hoewel…Poef!!!…en weg ben je!

      • Ik denk dat het woord tijd/ruimte of ruimte/tijd wat ongelukkig gekozen namen zijn, maar kan nu ook niet zomaar een betere naam bedenken.

        Het is niet zo dat massa’s zoals aarde en zon met die ruimte/tijd meebewegen, alleen massaloze deeltjes zoals bv fotonen (licht) doen dat. Massa heeft wel invloed op die ruimte/tijd, ze vertraagd hem namelijk (bv in een zwartgat staat zelfs de tijd stil). Tgv die tijdsvertraging wordt in de omgeving van massa’s de ruimte/tijd vervormd en worden zon en aarde aan elkaar gebonden.
        De uitdijende ruimte/tijd is de oorzaak van het fenomeen gravitatie – zwaartekracht.

        Nog gewaagder: Ik denk dat die zelfde uitdijende ruimte/tijd, door de interactie met massa, ook de oorzaak is van de uitdijing van de fysieke ruimte.

        • descheleschilder zegt:

          Hai Folkert!
          Ik denk dat we het hier alleen over het ruimtelijk deel van de ruimte-tijd hebben dat uitdijt. Wat versta je onder een uitdijende tijd? Tijddilatatie is een ander verhaal.

          Je schrijft dat tgv de tijdsvertraging de ruimte-tijd in de omgeving van massa’s wordt vervormd. Maar is het niet zo dat tgv van massa de ruimte-tijd wordt vervormd, en in het geval van bijvoorbeeld een satelliet (die met een niet relativistische snelheid beweegt) en de aarde, die satelliet om de aarde gaat bewegen vanwege de tijdskromming? Een vallende massa beweegt vanuit stilstand naar de aarde om het tijdsverloop voor die massa te maximaliseren. Zou er geen tijdskromming (en dus geen ruimtekromming) zijn dan beweegt de massa rechtlijnig met gelijkblijvende snelheid (in de lege ruimte dus).
          Beweegt een massa wél met een relativistische snelheid dan komt niet alleen de tijdskromming, maar ook de ruimtekromming om de hoek kijken om de beweging van de massa te beïnvloeden. En in het geval van licht is het alléén de ruimtekromming die de beweging van het licht beïnvloed (het tijdsverloop voor een foton is immers nul).

          Massieve objecten bewegen wel degelijk mee op de uitdijing van de ruimte (ik begrijp echter niet zo goed wat je bedoelt als je schrijft dat de aarde en zon niet mee bewegen op de uitdijing van de ruimte-tijd en fotonen wél). Kijk naar veraf gelegen sterrenstelsels. Die bewegen van ons af als gevolg van de uitdijende ruimte. Maar doen ze dat niet in een uitdijende ruimte-tijd? Verwarrend!

          Wat ik ook niet snap is dat uitdijende ruimte-tijd de oorzaak zou zijn van gravitatie, evenmin als dat uitdijende ruimte-tijd, door interactie met massa de oorzaak is van de uitdijing van de ruimte.

          Verlicht mij, in deze donkere dagen!

          • Hallo Descheleschilder,

            Over die uitdijende ruimte/tijd het volgende, dat is een puur inuïtief idee van mij, ik ben maar een eenvoudige leraar natuurkunde….

            Over gravitatie het volgende voorbeeld:

            Stel de Aarde en een hele lange staaf bewegen samen door de ruimte (snelheid Vm), een uiteinde van die staaf is naar de Aarde gericht, die kant noemen we A. Aangezien massa de tijd vertraagd zal de tijd aan die kant (A), langzamer verlopen dan de tijd aan het andere eind.
            Punt A wil dan gedurende de tijd Tm (tijdsverloop op het midden van de staaf) een afstand van Vm x (Tm-deltaT) afleggen, terwijl het andere einde een afstand van Vm x (Tm+deltaT) wil afleggen.
            Punt A wil/kan minder afstand afleggen dan het andere uiteinde wil/kan, ten gevolge daarvan zal er een kracht ontstaan in de staaf gericht naar de Aarde. Zie daar de gravitatie.
            Vm gebruiken we als snelheid omdat we de staaf als niet elastisch veronderstellen.

            Klein beetje licht……misschien….
            (Alle angaben sind ohne Gewehr)

Laat wat van je horen

*