Zelfs de grootste structuren in het heelal – de filamenten van het kosmische web – roteren

Impressie van de filamenten in het kosmische web. Credit: AIP/ A. Khalatyan/ J. Fohlmeister

We weten dat planeten en sterren roteren, dat zelfs sterrenstelsels en mogelijk ook de halo’s van donkere materie rondom sterrenstelsels roteren. Maar nu blijkt uit onderzoek dat zelfs de allergrootste structuren in het heelal, de filamenten van het kosmische web, roteren en wel om hun lengte-as. Voor de duidelijkheid: die filamenten bestaan uit enorme lange, dunne slierten van sterrenstelsels, met aan de uiteinden van de filamenten clusters van sterrenstelsels als knooppunten. Ze kunnen honderden miljoenen lichtjaren lang worden (sommigen zelfs nóg groter) en het ‘skelet’ van dat web van filamenten wordt gevormd door de donkere materie, die alles via z’n zwaartekrachtswerking bijeen houdt. Sterrenkundigen van het Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam (AIP) hebben samen met collega’s in Estland en China de snelheden bestudeerd van maar liefst 213.625 sterrenstelsels in 17.181 filamenten. De gegevens daarvoor haalden ze uit de databanken van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Die gegevens analyseerden ze met een algoritme genaamd Bisous, dat oorspronkelijk bedoeld was om wegen te herkennen op satellietfoto’s. Hieronder een schematische voorstelling van zo’n filament, met aan de uiteinden clusters van sterrenstelsels.

Credit: Roan Haggar

Uit de analyse van de gegevens komt naar voren dat de sterrenstelsels in de filamenten niet alleen langs de lengte-as van filamenten bewegen, maar ook dat ze om die as heendraaien, een kurkentrekkerachtige ‘helix’ beweging dus. Bij de filamenten met grote clusters aan het uiteinde blijkt de beweging groter te zijn dan met kleinere clusters, dus er lijkt een verband te zijn met de zwaartekracht. De vraag is wel waar de rotatie precies vandaan komt. Er is een behoudswet van impulsmoment, dus die rotatie kan niet zomaar ontstaan. In het standaardmodel van de vorming van grootschalige structuren in het heelal groeiden in het vroege heelal de plekken met gemiddeld iets meer materie door de zwaartekracht uit tot filamenten. Die plekken zouden rotatievrij of krulvrij moeten zijn, er is geen oerrotatie in het vroege heelal. De rotatie moet dus tijdens de vorming van deze grote structuren zijn ontstaan. Volgende vraag die rijst: roteert ook de grootste schaal die we kennen, het heelal als geheel? Hier het vakartikel over de rotatie van de filamenten, verschenen in Nature Astronomy. Bron: Phys.org + Astrobites.

Bestaan donkere energie vastgesteld met een betrouwbaarheid van maar liefst 11σ

Credit: Gong-Bo Zhao et al.

Mocht je nog twijfelen aan het bestaan van donkere energie, de mysterieuze kracht in het heelal die verantwoordelijk is voor de versnelling in de uitdijing van het heelal, dan raad ik je aan om het artikel ‘The completed SDSS-IV extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey: a multitracer analysis in Fourier space for measuring the cosmic structure growth and expansion rate‘ van Gong – Bo Zhao et al te lezen. Daarin staan de resultaten vermeld van de Extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (eBOSS), welke is uitgevoerd in het kader van de vierde waarneemcampagne van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS-IV). Dát het heelal uitdijt weten we sinds Edwin Hubble eind jaren twintig van de vorige eeuw ontdekte dat de meeste sterrenstelsels zich van ons af bewegen en dat dat sneller gaat naarmate ze verder weg staan. Dát het heelal versneld uitdijt weten sinds 1998 toen twee onafhankelijke teams met behulp van type Ia supernovae konden bewijzen dat het heelal nu sneller uitdijt dan miljarden jaren geleden. Bij eBOSS heeft men niet naar supernovae gekeken, maar naar meer dan een miljoen sterrenstelsels, welke zich op 700 miljoen tot 1,8 miljard lichtjaar afstand van ons bevinden. Al die sterrenstelsels bevinden zich in clusters en superclusters en de basis van die grootschalige structuren onstond al in het hele vroege heelal. In dat vroege heelal ontstonden er fluctuaties in de materie (die is opgebouwd uit zogeheten baryonen, dat zijn bijvoorbeeld protonen en neutronen), welke veroorzaakt werden doordat er acoustische dichtheidsgolven door het hete plasma denderden. Vandaar dat er toen Baryonische Acoustische Oscillaties (BAO’s) onstonden en die hadden allemaal zo’n beetje dezelfde omvang, pakweg 490 miljoen lichtjaar gerekend naar het huidige heelal (zie afbeelding hieronder).

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

Door naar de sterrenstelsels in de (super-)clusters te kijken krijg je een indruk van hoe snel de stelsels zich bewegen en hoe dat tussen 700 en 1,8 miljard jaar geleden (afstand=tijd door de lichtsnelheid) is veranderd. Probleem is daarbij dat sterrenstelsels niet alleen meebewegen met die kosmische ‘Hubble flow’, zoals ze het noemen, de beweging door de uitdijing van het heelal, maar dat ze lokaal ook andere bewegingen hebben, omdat ze bijvoorbeeld in een cluster naar elkaar toe bewegen – zoals de Melkweg en het Andromedastelsel ook naar elkaar toe bewegen en uiteindelijk zullen botsen. Met die afwijkingen in de beweging kon het team van Gong-Bo Zhao ook rekening houden en wel door het meten van de zogeheten redshift space distortions (RSD), jaja de astronomische termen vliegen jullie om de oren. Door de combinatie van de gegevens van de BAO en de RSD van de waargenomen sterrenstelsels was men in staat om met een statistische betrouwbaarheid van maar liefst 11σ, meer dan de benodigde 5σ om van een bewijs te spreken, aan te tonen dat het heelal versneld uitdijt en dat dit komt door de aanwezigheid van donkere energie, de mysterieuze energie die een afstotende werking heeft. Wat men nog niet weet is wat die donkere energie precies is. De meeste sterrenkundigen denken dat het een soort van ingebakken eigenschap van de ruimtetijd zelf is, die altijd constant is, de Kosmologische constante Λ, waar Albert Einstein het meer dan honderd jaar geleden al over had. Maar er zijn ook sterrenkundigen die denken dat de donkere energie fluctueert, een soort van vijfde natuurkracht, die ook wel kwintessens wordt genoemd. Bron: Universe Today.

Gas in grootschalige structuren in het heelal afgelopen acht miljard jaar drie keer zo heet geworden

Boven: de temperatuursontwikkeling in het heelal de afgelopen 11 miljard jaar, onder: de ontwikkeling van de grootschalige structuren in dezelfde periode. Credit: D. Nelson / Illustris Collaboration.

Sterrenkundigen hebben ontdekt dat het hete gas dat zich bevindt in de grootschalige structuren van het heelal – dat is het kosmische web van de (super-)clusters van sterrenstelsels – afgelopen acht miljard jaar maar liefst drie keer heter is geworden. De temperatuur van elektronen in dat gas was 8 miljard jaar geleden (roodverschuiving z=1) 700.000 K, nu (z=0) is dan maar liefst 2 miljoen K. Yi-Kuan Chiang (Ohio State University) en z’n team hebben dit ontdekt door te kijken naar de gegevens die verzameld zijn met de Planck satelliet en de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), de eerste keek naar de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB), de tweede naar licht en spectra van sterrenstelsels. Door die gegevens te combineren kregen ze een indruk van de thermische druk rondom sterrenstelsels. Daarmee waren ze in staat om het zogeheten “Sunyaev-Zeldovich” (SZ) effect te meten, een effect dat voorspeld in 1972 werd door twee Russische sterrenkundigen,  Rashid Sunyaev en Yakov Zel’dovich.

Het SZ-effect. Credit: Argelander Institut für Astronomie.

Dat tweetal betoogde dat fotonen die van de CMB afkomstig zijn – welke zo’n 380.000 jaar na de oerknal ontstond op het moment dat het heelal door z’n expansie zo ver was afgekoeld dat de fotonen vrij konden bewegen – onderweg richting de aarde beïnvloed worden door de massa van de clusters van sterrenstelsels die ze passeren. Door de zogenaamde ‘omgekeerde Compton verstrooiing‘ zorgen de electronen in die clusters er voor dat de energie van de fotonen een tikkeltje verandert. De intensiteit van het SZ-effect is gekoppeld aan de thermische druk van het gas en die is weer gekoppeld aan de temperatuur van de elektronen. En zo kon men de temperatuur van de elektronen in de ‘Large Scale Structures’ (LSS) van afgelopen 8 miljard jaar meten – hieronder de grafiek met de resultaten.

Credit: Chiang, Makiya, Ménard and Komatsu, Astrophysical Journal, 902, 56 (2020).

Hier het vakartikel over het onderzoek aan de temperatuur van het hete gas, verschenen in the Astrophysical Journal. Bron: Kavli Instituut/IPMU.

Resultaten van het SDSS-IV eBOSS onderzoek aan het ‘midden-heelal’ gepubliceerd

3D kaart van het heelal, die laat zien hoe ver de verschillende SDSS onderzoeken het heelal in konden kijken. credit: Anand Raichoor (EPFL), Ashley Ross (Ohio State University) and the SDSS Collaboration.

Vandaag zijn de resultaten gepubliceerd van de vierde ‘extended Baryon Oscillation Spectroscopic Survey’ (eBOSS) van de Sloan Digital Sky Survey, een vijf jaar durend onderzoek dat de meest omvangrijke driedimensionale kaart van een periode van elf miljard jaar van het heelal heeft opgeleverd. Van ons heelal, dat 13,8 miljard jaar oud is, kennen we de vroegste geschiedenis van net na de oerknal én de laatste geschiedenis van de afgelopen drie miljard jaar, maar de periode daartussen – ik noem het even voor het gemak het midden-heelal- was het minst bekend. Maar met eBOSS is die periode nu ook letterlijk in kaart gebracht. Aan het eBOSS onderzoek heeft een internationaal team van meer dan 100 sterrenkundigen meegedaan en dat heeft geresulteerd in meer dan twintig vakartikelen, waarvan deze een overzicht van de resultaten geeft. Voor het onderzoek hebben ze meer dan twee miljoen sterrenstelsels en quasars bestudeerd met de Sloan Foundation Telescope van het Apache Point observatorium en z’n tweelingbroer van het Las Campanas Observatorium in de VS.

credit: Eva-Maria Mueller (Oxford University) and the SDSS Collaboration.

Uit de waarnemingen blijkt dat zes miljard jaar geleden het heelal versneld begon uit te dijen, iets dat vandaag de dag nog steeds doorgaat en dat veroorzaakt wordt door de mysterieuze donkere energie. Verder heeft men een waarde gevonden voor de Hubble constante H0 van 68,20 +/- 0,81 km/s/Mpc, een waarde die overeenkomt met die van het ‘vroege heelal kamp’ uit de welbekende Hubble-spanning. Vorige week kwam men met de Atacama Cosmology Telescope ook al op een dergelijke lage waarde uit. Verder blijkt de kromming van het heelal nul te zijn, dat wil zeggen dat de ruimte in het heelal vlak (Euclidisch) is en niet gekromd, zoals eind vorig jaar werd gesuggereerd (zie afbeelding hierboven).

Hieronder één van de vele video’s die over de eBOSS resultaten zijn verschenen, via de bron zie je andere video’s.

Bron: SDSS.

Asymmetrie in rotatierichting spiraalstelsels wijst erop dat het vroege heelal mogelijk roteerde

Een zogeheten Mollweide kaart waarop de quadrupool te zien is van de verdeling van de rotatierichtingen van spiraalstelsels. De verschillende kleuren wijzen op verschillende statistische sterktes van voorkeur van een bepaalde rotatierichting. Credit: Lior Shamir et al/Kansas State University.

Een sterrenkundige van de Kansas State Universiteit in de VS heeft meer dan 200.000 spiraalsterrenstelsels onderzocht en daar komt uit naar voren dat er een bepaald patroon zichtbaar is in de rotatierichting van de stelsels. Ze draaien niet kriskras door elkaar, de één linksom en de ander rechtsom, maar het onderzoek van Lior Shamir laat zien dat de geometrische patronen van de spiraalstelsels in bepaalde delen van het heelal een soort van voorkeursrichting hebben. Hoe je aankijkt tegen de rotatierichting van een spiraalstelsel speelt uiteraard een rol bij die richting: als we bijvoorbeeld M31 (het Andromedastelsel) tegen de klok in zouden zien draaien, dan zou ‘ie met de klok meedraaien als we ons precies aan de andere kant van M31 zouden bevinden. In een isotroop heelal zonder bijzondere structuur zou er geen voorkeursrichting van de rotatie bestaan en zouden alle sterrenstelsels door elkaar heen roteren. Rotatierichtingen linksom zouden dan net zo vaak moeten voorkomen als rotaties rechtsom. Shamir zag echter in de gegevens van de spiraalstelsels, verzameld met geautomatiseerde speurtochten zoals Sloan Digital Sky Survey (SDSS) en Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System (Pan-STARRS) dat er een verschil van 2% zit tussen de twee richtingen. De kans dat zo’n verschil op toeval berust is 1 op 4 miljard. De gebieden waar de sterrenstelsels vaker een voorkeursrichting hebben strekken zich uit tot een afstand van vier miljard lichtjaar. Opvallend daarbij is dat naarmate men verder kijkt des te sterker wordt de voorkeur voor een bepaalde richting, in het lokale heelal is die assymetrie in de rotatierichting er niet. Dat wijst er volgens de sterrenkundigen op dat het vroege heelal mogelijk roteerde. Alleen is dat geen simpele rotatie rond één universele as, maar was er sprake van meerdere assen. Het vroege heelal was dus mogelijk een soort van multipool, waarbij verschillende gebieden verschillend roteerden. Dat zou overeenkomen met wat men eerder al met instrumenten zoals Planck zag in de kosmische microgolf-achtergrondstraling, dat daarin ook meerdere polen voorkomen. De resultaten van het onderzoek werden deze week door Shamir gepresenteerd op de (digitale) 236e bijeenkomst van de AAS – hier Shamir’s vakartikel. Bron: Kansas State Universiteit.

Superzware zwarte gaten belemmeren de groei van dwergstelsels

Negen van de onderzochte dwergstelsels. Credit: SDSS.

Drie sterrenkundigen van de Universiteit van Californië, Riverside (VS) hebben ontdekt dat de superzware zwarte gaten in kleine dwergstelsels door hun krachtige winden de groei van die stelsels belemmeren en wel door de stervorming te verminderen. Dwergstelsels hebben gemiddeld zo’n 100 miljoen tot enkele miljarden sterren, terwijl bijvoorbeeld de Melkweg er veel meer heeft, zo tussen de 200 en 400 miljard. Het heelal bevat veel meer dwergstelsels dan gewone sterrenstelsels. Een team van sterrenkundigen onder leiding van Gabriela Canalizo deed onderzoek naar 29 dwergstelsels, waarvan ze de gegevens haalden uit de Sloan Digital Sky Survey.

De drie UCR sterrenkundigen die het onderzoek deden, Gabriela Canalizo (r), Laura Sales (l) en Christina Manzano-King (m). Credit: UCR/Stan Lim.

Al die dwergstelsels vertoonden signalen dat ze een superzwaar zwart gat in hun kern hebben. Bij zes dwergstelsels konden ze zien dat geïoniseerde gaswolken met hoge snelheid (>1000 km/s) uit het stelsel vlogen en dat zestal hebben ze nader bestudeerd met de Keck telescoop op Hawaï. Daarmee konden ze diverse eigenschappen van die gaswolken onderzoeken en ze ontdekten toen dat die wolken de snelheid van stervorming in de stelsels onderdrukken. Gas- en stofwolken die normaal gesproken de geboorteplaatsen zijn van sterren worden door de krachtige wind van de gaswolken, die door het zwarte gat uitgestoten zijn, uit het dwergstelsel geduwd en daardoor blijft er geen gas meer over voor stervorming. Hier het vakartikel over het onderzoek, verschenen in The Astrophysical Journal, 2019; 884 (1). Bron: Universiteit van Californië.

Twee superzware zwarte gaten ontdekt die op ramkoers met elkaar liggen

Credit: A.D. Goulding et al./Astrophysical Journal Letters 2019

Een team sterrenkundigen is er in geslaagd om met de Hubble ruimtetelescoop in het sterrenstelsel SDSSJ1010+1413 op 2,5 miljard lichtjaar afstand twee superzware zwarte gaten te ontdekken die op ramkoers met elkaar liggen. Elk van die zwarte gaten heeft een massa van ongeveer 800 miljoen zonsmassa (vergelijk het met het superzware zwarte gat in ons eigen Melkwegstelsel, Sagittarius A*, die slechts 4,3 miljoen keer de massa van de zon telt!) en de sterrenkundigen denken dat als de twee zwarte gaten elkaar naderen ze al zwaartekrachtgolven zullen produceren. Die maken ze dus niet alleen als ze daadwerkelijk botsen en samensmelten tot één zwart gat, maar ook al in de miljoenen jaren daarvoor als ze elkaar spiraalsgewijs naderen.

Schatting van de GWB (‘gravitational wave background’) op grond van waarnemingen aan J010+1413. AGN zijn ‘active galactic nuclei’, z is de roodverschuiving, een maat voor de afstand. Credit: A.D. Goulding et al./Astrophysical Journal Letters 2019

Dit paar superzware zwarte gaten staat te ver weg om daadwerkelijk de zwaartekrachtgolven te detecteren, zoals LIGO en Virgo dat dagelijks proberen te doen, maar op basis van waarnemingen aan het paar in SDSSJ1010+1413 proberen de sterrenkundigen wel te achterhalen hoeveel van dergelijke paren op ramkoers er zijn en of die ook dichterbij het Melkwegstelsel liggen. Die zouden dan wel via hun continue stroom van zwaartekrachtgolven te detecteren zijn. Optimistische schattingen zeggen dat er 112 van dergelijke paren op relatief nabije afstand van de Melkweg moeten zijn (zoals te zien in de afbeelding hierboven).

The final parsec problem: komen ze echt wel tot elkaar? Credits: Dana Berry (Skyworks Digital)

The Final Parsec problem

De twee zwarte gaten in SDSSJ1010+1413 staan 430 parsec (1400 lichtjaar) van elkaar vandaan, dus dat botsen en samensmelten zal nog wel enige tijd op zich laten wachten. En de vraag is óf ze ooit zullen botsen, want dat is nog geen uitgemaakte zaak. Op theoretische gronden heeft men namelijk het vermoeden dat de zwarte gaten elkaar zullen naderen tót een afstand van ongeveer 1 parsec (da’s 3,2 lichtjaar) en dat ze dan vertragen en vreemd genoeg van elkaar vandaan zullen blijven.  Men noemt dat the final parsec problem en slechts weinig superzware zwarte gaten zullen door dat merkwaardige fenomeen daadwerkelijk komen tot die ‘merger’. Hier het vakartikel over de twee superzware zwarte gaten op ramkoers, verschenen in the Astrophysical Journal Letters. Bron: Eurekalert.

Hoe quasars ons meer vertellen over donkere materie en reïonisatie

Impressie van een superzwaar zwart gat met een accretieschijf in het centrum van een quasar. Credit: Carnegie Institution for Science

Quasars zijn de actieve centra van een sterrenstelsels (‘active galactic nucleus’ of AGN) met een zeer hoge helderheid, meestal zeer ver verwijderd van de aarde. In 1963 werden ze voor het eerst geïdentifceerd door Maarten Schmidt, een Nederlandse astronoom die in de Verenigde Staten werkte. Die hoge helderheid wordt veroorzaakt een superzwaar zwart gat in het centrum van het sterrenstelsel, waarvan de omringende schijf met materie hoogenergetische straling uitzendt wanneer deze naar het zwarte gat wordt getrokken. Die straling vangen we weer op aarde op en omdat de straling vaak een weg van meer dan tien miljard lichtjaar heeft afgelegd kunnen quasars gebruikt worden als manier om meer te weten te komen over het vroege heelal en alles wat er sindsdien gebeurd is. Recentelijk zijn daar twee voorbeelden van te zien geweest:

  • Ten eerste hebben ze door studie van licht afkomstig van quasars de mate van ‘mistheid’ (Engels: fogginess) gemeten, de variatie aan verschillende dichtheden in het vroege heelal. Dat licht kunnen ze met spectrografen opmeten, instrumenten die de spectra van quasars nauwkeurig in beeld kunnen brengen (zie de afbeelding hieronder).

    Credit: Girish Kulkarni (Tata Institute of Fundamental Research)

    Sterrenkundigen onder leiding van Girish Kulkarni (University of Cambridge) keken daarbij in het bijzonder naar de zogeheten ‘Lyman-alpha Forests’ in die spectra, een serie lijnen van geïoniseerd waterstof. Het resultaat was dat bleek dat er in het vroege heelal grote verschillen in dichtheden voorkwamen – men verwachtte een variatie met een factor 2 en dat bleek een factor 500 te zijn! De oorzaak hiervan kwam door grote gebieden met koud waterstof, die zo’n miljard jaar na de oerknal voorkwamen. Door de studie vonden de onderzoekers dat er pas 1,1 miljard jaar na de oerknal een einde kwam aan de fase van reïonisatie, de fase toen door de felle UV-straling van de straling van de allereerste sterren in het heelal het neutrale waterstofgas ioniseerde, d.w.z. dat de elektronen loskoppelden van de atoomkernen. Die 1,1 miljard is later dan wat men eerst dacht. De Epic of Reionisation (EoR) betekende een einde aan de zogeheten donkere eeuwen van het heelal, toen er géén sterren en sterrenstelsels waren (zie de afbeelding hieronder).

    Credit: Girish Kulkarni (Tata Institute of Fundamental Research)

    Hier het vakartikel van de groep van Kulkarni over de waarnemingen aan de quasars, verschenen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: KICC + Astrobites.

  • Ten tweede hebben sterrenkundigen ontdekt dat er een verband is tussen quasars en donkere materie. Een team van sterrenkundigen onder leiding van James Geach (University of Hertfordshire) combineerde waarnemingen die gedaan zijn met de Planck satelliet aan de kosmische microgolf-achtergrondstraling (CMB), het restant van de hete straling afkomstig van de hete oerknal, én waarnemingen aan quasars. Volgens het gangbare Lambda-CDM heelalmodel ontstaan sterrenstelsels op de knooppunten van het zogeheten kosmische web, dat voornamelijk uit de onzichtbare donkere materie bestaat. In die CMB heeft men met Planck zogeheten zwaartekrachtslens-effecten ontdekt, verbuigingen van het licht door die gebieden met hogere dichtheden, waar later sterrenstelsels uit zijn ontstaan. Wat blijkt: de groep van Geach heeft een verband ontdekt tussen de helderheid van een quasar en de massa van de bijbehorende halo van donkere materie. Hoe helderder de quasar, des te meer massa is aanwezig in diens omhullende halo van donkere materie.

    Credit: SDSS/Geach et al

    Een echte verrassing is deze relatie overigens niet, want die relatie tussen de helderheid van quasars en de dichtheid van de donkere materie in de halo van sterrenstelsels was al theotretisch voorspeld. Voor dit onderzoek maakte de groep gebruik van de gegevens van 200.000 quasars, verzameld in de Data Release 14 (DR14) van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Hier het vakartikel van Geach et al over het onderzoek aan de relatie tussen quasars en donkere materie. Bron: ESA.

Signaal van neutrino’s van één seconde na de oerknal is bevestigd!

Dat er naast een kosmische microgolf-achtergrondstraling van fotonen (Engels: CMB) ook een kosmische neutrino achtergrond (CNB) bestaat wordt al lang geopperd, maar tot nu toe ontbrak daarvoor het bewijs. De CMB is al in 1964 voor het eerst waargenomen en waarnemingen van de temperatuursverschillen in de CMB zijn gedaan door ruimteverkenners als COBE, WMAP en Planck (zie de afbeelding hieronder).

Temperatuurvariaties in de CMB. Credit: ESA en Planck.

Waarnemingen aan de CNB zijn een stuk lastiger, omdat neutrino’s veel minder reageren met andere materie of straling dan fotonen. Met neutrino-detectoren zoals IceCube op de Zuidpool kunnen neutrino’s van bijvoorbeeld de zon, supernovae en actieve centra van sterrenstelsels worden waargenomen, maar die hebben miljarden keren meer energie dan de ‘fossiele neutrino’s’ van de CNB, die volgens berekeningen een energie van slechts 168 micro-elektron-volt (μeV) hebben. Directe waarneming van deze neutrino’s lijkt daarmee zeer onwaarschijnlijk, ook al zijn er toch experimenten die dit proberen te realiseren. Frappant verschil tussen de CMB en CNB: de fotonen van de CMB dateren van het moment van het ‘laatste oppervlak van de verstrooiing’, dat 380.000 jaar ná de oerknal plaatsvond – de oerknal zelf vond 13,8 miljard jaar geleden plaats. Vóór dat moment was de dichtheid zo groot dat de fotonen niet vrijuit konden bewegen, maar heen en weer knikkerden tussen de atoomkernen en elektronen. De neutrino’s van de CNB reageren niet via de elektromagnetische wisselwerking op andere materie – alleen via de zwakke wisselwerking – en daarom konden die veel eerder al vrijkomen: de neutrino’s van de CNB kwamen al één luttele seconde na de oerknal vrij, veel eerder dus dan de fotonen van de CMB!

Neutrino’s van de CNB hebben invloed op de grootschalige structuren in het heelal. In de afbeelding simulaties daarvan op verschillende momenten in de evolutie van het heelal. Credit: VOLKER SPRINGEL

Maar ja, als directe detectie van deze kosmische neutrino’s onmogelijk lijkt, hoe kan je ze dan toch zien of bewijzen dat ze bestaan? Dat kan op twee manieren, beiden een indirecte manier van waarnemen. Ten eerste heeft de CNB invloed op de CMB en ten tweede heeft het invloed op de grootschalige structuren van clusters en superclusters van sterrenstelsels in het heelal (zie de afbeelding hierboven). Kenmerk van zowel de CMB als de grootschalige structuren is dat er een variëteit is van pieken en dalen, van plekken waar de temperatuur hoger en lager is dan gemiddeld, respectievelijk van plekken waar de dichtheid hoger en lager is dan gemiddeld.

De neutrino’s van de CNB kunnen er met hun energie voor zorgen dat die pieken en dalen worden uitgesmeerd, dat er een soort van verschuiving (phase shift) zou optreden. Bedenk dat de neutrino’s 13,8 miljard jaar geleden een veel hogere fractie van de energieinhoud van het heelal vormden (zie afbeelding hieronder) en dat ze zich toen als een vorm van straling gedroegen.

Credit: NASA, MODIFIED BY WIKIMEDIA COMMONS USER ??, MODIFIED FURTHER BY E. SIEGEL

Twee dingen zouden de mate van invloed daarbij bepalen: hoeveel soorten neutrino’s er zijn en hoeveel energie de neutrino’s hebben. In 2015 waren er al waarnemingen aan de CMB die wezen op beïnvloeding door een CNB. Daarbij kwam naar voren dat er drie soorten neutrino’s bestaan, precies het aantal dat is waargenomen (er zijn drie ‘smaken’ neutrino’s, de elektron-, muon- en tau-neutrino’s) – hoewel er wel aanwijzingen zijn voor het bestaan van een vierde smaak neutrino, het steriele neutrino. Op basis van waarnemingen gedaan met Planck aan de polarisatie van de CMB was men een jaar later in staat om de huidige energie van de fossiele neutrino’s te bepalen: 169 μeV ±2 μeV, corresponderend met een temperatuur van 1,95 K (de fotonen van de CMB hebben een temperatuur van 2,7 K).

Wat toen echter ontbrak waren de waarnemingen aan de grootschalige structuren in het heelal, die op een beïnvloeding door de CNB wijzen. Nou jullie voelen ‘m al aankomen: recentelijk is die waarneming gedaan en daarmee is er een bevestiging gekomen van het bestaan van een CNB. In het kader van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) zijn heel veel clusters en superclusters van sterrenstelsels waargenomen. De eerder genoemde pieken en dalen laten zich zien als zogeheten baryon acoustic oscillations (BAO’s) – zie de afbeelding hieronder.

Impressie van BAO’s in het heelal. Credit: ZOSIA ROSTOMIAN.

De verschuiving in de pieken en dalen door de CNB worden uitgedrukt in twee parameters, genaamd α en β en in theorie zouden beiden precies 1 moeten zijn. Uit de SDSS-waarnemingen (hieronder te zien) blijkt dat α inderdaad 1 is. De waarde voor β is nog niet goed bekend, maar duidelijk is wel dat die niet 0 is, de waarde die je zou hebben als er géén CNB bestaat.

Het resultaat van analyse van de SDSS-gegevens aan de BAO’s. Credit: D. BAUMANN ET AL. (2019), NATURE PHYSICS.

Hier het vakartikel over de waarnemingen aan de BAO’s door SDSS en de bevestiging daarmee dat er een CNB bestaat, het oudst bekende signaal in het heelal. Met toekomstige waarnemingen met grotere instrumenten – met name DESI, Euclid, WFIRST en de LSST – wil men de waarnemingen aan de CNB verbeteren. Bron: Starts with a Bang.

Gepubliceerde MaNGA database toont gegevens van duizenden nabije sterrenstelsels

Enkele van de onderzochte sterrenstelsels. Credit: SDSS/MaNGA collaboration).

In het kader van de Sloan Digital Sky Survey (SDSS) werden afgelopen drie jaar bijna nabije 5000 sterrenstelsels uitgebreid onderzocht, een programma dat Mapping Nearby Galaxies at Apache Point Observatory (MaNGA) wordt genoemd. Vorige week werd de database van dat programma gepubliceerd. Bij MaNGA wordt een nieuwe techniek toegepast, de zogeheten ‘resolved spectroscopy’, ook wel de ‘integral field spectroscopy’ genoemd. Bij de klassieke spectroscopie wordt van sterrenstelsels één spectrum gemaakt van een sterrenstelsel en dat geeft dan informatie over dat stelsel. Bij de ‘opgeloste spectroscopie’, zoals ik ’t maar even vrij vertaald weergeef, worden in één keer honderden spectra gemaakt van verschillende lokaties bínnen het sterrenstelsel, iets wat veel meer informatie geeft. Hierbij gebruikt men bundels van glasvezelfibers, die je op de afbeelding hieronder ziet.

Credit: Dana Berry/SkyWorks Digital Inc., David Law, and the SDSS collaboration.

Op die wijze kunnen de sterrenkundigen veel meer te weten te komen over de evolutie van sterrenstelsels. Hert MaNGA-team, dat onder leiding staat van Kevin Bundy (UC Santa Cruz, VS), kon bijvoorbeeld zien dat in zogeheten ‘dode sterrenstelsels’ grote hoeveelheden geïoniseerd gas worden uitgestoten. Dit wijst erop dat sterke ‘winden’ veroorzaakt door een actief superzwaar zwart gat de stervorming compleet kan stilleggen. De database van MaNGA is verschenen als de 15e SDSS data release (oftewel de derde publicatie van de SDSS-IV database, om ’t nog ingewikkelder te maken). Hierin staan de gegevens van 4621 nabije sterrenstelsels. Daarmee zijn ze ongeveer op de helft van het uiteindelijke doel, de gegevens van 10.000 nabije sterrenstelsels in 2020. Daarnaast zijn met MaNGA nog 3000 sterren in onze eigen Melkweg onderzocht en die zijn gepubliceerd als de MaNGA Stellar Library. Spitten maar in de gegevens! Bron: UCSC.