11 mei 2021

Nog even over de vorming van zo’n baryonische akoestische oscillatie

Voorstelling van grootschalige baryonische accoustische oscillaties in het vroege heelal. Credit: LBNL

Over baryonische akoestische oscillaties (BAO’s) heb ik het vaker gehad, afgelopen zaterdag nog. Volgens de Wikipedia zijn BAO’s ‘fluctuaties in de dichtheid van de zichtbare baryonische materie (normale materie) van het heelal, veroorzaakt door akoestische dichtheidsgolven in het oorspronkelijke plasma van het vroege heelal’. Dat klinkt best cryptisch. Maar ik zag pas een schitterende animatie, waarin wordt getoond hoe die BAO’s, die pakweg 500 miljoen lichtjaar (150 Mpc) in doorsnede zijn, precies ontstaan. De animatie toont ons vier ingrediënten in de eerste half miljard jaar van het bestaan van het heelal, te weten gas (baryonen en elektronen), straling (fotonen), neutrino’s en donkere materie. Omdat neutrino’s vanaf het allereerste moment vrij rondvliegen met de lichtsnelheid en nergens mee reageren vergeten we die even en concentreren we ons op het gas, de straling en de donkere materie (weergegeven door de blauwe, gestreept rode respectievelijk zwarte lijnen). Ik begin met het tonen van die animatie, waarin te zien is hoe in die eerste 500 miljoen jaar van het heelal (leeftijd zie je rechtsboven in Myr, daaronder staat de roodverschuiving z) verstoringen in de dichtheid van de drie ingrediënten groeien. Die verstoringen zijn lokale dichtheden, die hun oorsprong vinden in de kwantum fluctuaties in de inflatieperiode in de eerste fractie van een seconde van het heelal. Op de x-as staat de straal van de groeiende verstoringen, weergegeven in Mpc (1 Mpc=3,26 miljoen lichtjaar; het zijn afstanden die omgerekend zijn naar het huidige heelal), op de y-as staat het ‘massaprofiel’ van de ingrediënten, d.w.z. de dichtheid x het kwadraat van de straal.

Credit: Daniel Eisenstein.

Belangrijk is om te weten dat donkere materie alleen reageert op de zwaartekracht, terwijl gas en straling ook via de elektromagnetische wisselwerking reageren op elkaar. Om die reden gedragen gas en straling zich als een soort vloeistof van baryonen en fotonen, waarvan de lokale dichtheden zich als akoestische golven uitbreiden. In dat vroege heelal zijn er twee tegengestelde krachten die erg belangrijk zijn: aan de ene kant is er de stralingsdruk van de fotonen, welke naar buiten is gericht, aan de andere kant is er de zwaartekracht van de baryonen, welke naar binnen is gericht. Het plasma van geïoniseerd gas is zo heet dat fotonen niet ver kunnen reizen omdat ze voordurend verstrooien met de elektronen. In de vloeistof van gas en straling zorgt de straling voor een overdruk en daardoor groeien de lokale dichtheden, die zich met een snelheid van 57% van de lichtsnelheid uitbreiden. Dat zie je in de animatie als de piek, die vanuit het centrum naar rechts gaat, een piek die in eerste instantie een combi is van gas en straling, blauw en rood gestreept.

Credit: Daniel Eisenstein.

Dat duurt tot de tijd 0,38 Myr aangeeft, 380.000 jaar na de oerknal (roodverschuiving z=1081) – zie de afbeelding hierboven. Door de expansie van het heelal daalde de gemiddelde temperatuur in het heelal en toen het heelal 380.000 jaar oud was, toen een temperatuur van het gas van 3000 K werd bereikt, was het ‘koud’ genoeg voor de baryonen (atoomkernen) en elektronen om te bundelen tot neutrale atomen, waardoor de fotonen voortaan vrijelijk konden bewegen, zonder verstrooid te worden. Dat was het moment van ‘het oppervlak van de laatste verstrooiing‘, het moment dat vastgelegd is in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (de CMB, zie hieronder).

Temperatuursverschillen in de CMB, waargenomen door Planck. (Credit: ESA/Planck)

Toen de straling en het gas loskoppelden viel voor het gas de overdruk weg en vanaf dat moment overheerst de zwaartekracht in het gas. Op dat moment zie je twee hoge pieken: links eentje bij het centrum van de verstoring, waar de donkere materie overheerst (donkere materie is vermoedelijk cold dark matter, koude donkere materie, ‘koud’ betekent langzaam bewegend), rechts eentje bij een straal van 150 Mpc van gas. In de miljoenen jaren na het moment van het oppervlak van de laatste verstrooiing gebeurt er nog iets interessants, hetgeen je duidelijk in de animatie ziet. De piek van donkere materie links in de grafiek (bij het centrum van de verstoring, ca. 10-20 Mpc breed) trekt door de zwaartekracht het gas omhoog, de piek van gas rechts in de grafiek (bij 150 Mpc) trekt door de zwaartekracht de donkere materie omhoog! Omdat het gas en de donkere materie koud zijn gaat die samenklontering niet zo snel en je ziet aan de grafiek dat het wel tot 500 miljoen jaar na de oerknal duurt voor ze elkaar opgetrokken hebben. Hieronder de situatie 475 miljoen jaar na de oerknal.

Credit: Daniel Eisenstein.

Er ontstaan dus twee grote pieken van gas én donkere materie, eentje in het centrum van de verstoringen, eentje op 150 Mpc afstand van het centrum. Je zou denken dat die pieken in de dichtheden van het gas/donkere materie, welke later zullen uitgroeien tot het kosmische web van clusters van sterrenstelsels, betekent dat er veel sterrenstelsels zijn binnen een straal van 10-20 Mpc, dat er dan vervolgens een grote leegte is en dat er vervolgens weer een grote hoeveelheid sterrenstelsels is op 150 Mpc afstand. Ja, als er in het vroege heelal één lokale verstoring zou zijn dan zou dat inderdaad het geval zijn. Maar er traden overal van die verstoringen op en die liepen allemaal door elkaar heen. Wat je wel hebt is dat er bij 150 Mpc (500 miljoen lichtjaar) afstand van de centra van de verstoringen een zwakke piek ligt, eentje die minder dan 1% is van de dichtheid van de centra. Die zwakke piek is de BAO, welke door onderzoeken zoals eBOSS in details is waargenomen.

Ter afsluiting: het oorspronkelijke vakartikel, waarin het proces van de vorming van de BAO’s wordt beschreven stamt uit 2007: On the Robustness of the Acoustic Scale in the Low-Redshift Clustering of Matter van Daniel J. Eisenstein, Hee-Jong Seo en Martin White.

Bron: Astrobites.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.