Op zoek naar het onzichtbare; Donkere materie verraadt zichzelf via microlenswerking

Hemellichamen kunnen werken als microlenzen. Ze schuiven voor een ster langs en veranderen zijn helderheid. Astronomen sporen op die manier onzichtbare materie in het heelal op.

OP VERSCHEIDENE sterrenwachten verrichten astronomen een waar monnikenwerk: zij houden dag in dag uit het gedrag van miljoenen sterren in de gaten. Hun doel is het vinden van sterren waarvan de helderheid in de loop van dagen of weken toeneemt, om vervolgens weer af te nemen. Zo'n verandering kan wijzen op de lenswerking van het gravitatieveld van een hemellichaam dat tussen de ster en de aarde door schuift. Dat hemellichaam, een microlens, zou een planeet, een donkere ster of een zwart gat kunnen zijn, of iets wat we nog niet kennen. Zo kunnen hemellichamen worden gevonden die op een gewone manier niet zijn te zien.

Albert Einstein wees al in 1936 op het verschijnsel microlens. Hij liet zien dat als twee sterren precies achter elkaar zouden staan, het beeldje van de achterste ster als een heldere ring rond de voorste wordt gezien: het licht van de verste ster zou in de gravitatieveld van de meer nabije over een heel klein hoekje worden omgebogen. Maar de kans om zo'n ring waar te nemen was volgens Einstein nihil. De afgebeelde ring heeft namelijk een diameter in de orde van microboogseconden: veel te klein om met een gewone telescoop te kunnen zien. Daarin had Einstein gelijk. Maar omdat een microlens net als een vergrootglas ook de helderheid vergroot, iets wat wèl kan worden waargenomen, is de kans niet meer nul.

Op basis van deze kleine kans suggereerde Bohdan Paczynski van de Princeton-universiteit in 1986 om via microlenzen te gaan zoeken naar onzichtbare, donkere objecten in het bolvormige gebied (de halo) rond ons melkwegstelsel. Uit de beweging van de zichtbare materie in het melkwegstelsel blijkt dat een grote hoeveelheid massa zoek is: de zichtbare materie beweegt sneller dan op grond van zijn totale massa wordt verwacht. Het zou kunnen gaan om exotische, zware deeltjes, WIMPS's (weakly interacting massive particles), of om bekende objecten als reuzenplaneten en uitgedoofde sterren. Door nu bij een paar miljoen sterren in de Grote Magelhaense Wolk (een naburig sterrenstelsel) te gaan zoeken naar een eventuele helderheidsvariatie, zouden de donkere objecten kunnen worden opgespoord.

Het is daarbij wel essentieel dat de waarnemingen aan microlens-kandidaten gedetailleerd zijn, om te kunnen uitmaken of de helderheidsverandering niet gewoon een verschijnsel op de ster zèlf is, zoals een opvlamming. Alleen als de lichtwisseling achromatisch (in alle kleuren identiek) en symmetrisch is en het spectrum tijdens de helderheidsvariatie niet verandert, is het vrijwel zeker dat het om een microlens gaat. Bovendien mag het verschijnsel maar één keer optreden, want de kans dat er nogmaals iets tussen de ster en de aarde door beweegt is vrijwel nul.

In de loop van de jaren negentig gingen vier groepen op zoek naar de spreekwoordelijke spelden in de hooiberg. De groepen tooiden zich met de acroniemen EROS (Expérience de Recherche d'Objets Sombres), OGLE (Optical Gravitational Lensing Experiment), MACHO (Massive Compact Halo Object) en DUO (Disk Unseen Objects).

Eind 1993 maakten OGLE, EROS en MACHO vrijwel gelijktijdig de eerste microlens-kandidaten bekend: donkere objecten met een massa rond ééntiende van die van de zon. Op 1 september 1994 attendeerde de MACHO-groep de astronomische wereld razendsnel op een microlens-kandidaat tijdens het begin van de helderheidstoename, waardoor het verschijnsel voor het eerst heel nauwkeurig - en ook spectroscopisch - kon worden gevolgd. Sindsdien zijn zulke alerts standaardprocedure.

Momenteel zijn ongeveer vijftien microlenzen in de richting van de Grote Magelhaense Wolk gevonden. Dit aantal is een stuk groter dan verwacht op grond van het aantal zichtbare objecten in de halo rond het melkwegstelsel, zo concluderen de MACHO-astronomen in de Astrophysical Journal van september. In de halo zit dus donkere materie verscholen. De astronomen leiden uit het aantal microlenzen af dat de massa van die donkere halo 200 miljard zonsmassa's moet bedragen: ongeveer de helft van de waarde die men afleidt uit de beweging van de zichtbare materie in het melkwegstelsel.

De tijdschaal van de microlensverschijnselen varieert van weken tot maanden, wat impliceert dat de massa van de donkere objecten gemiddeld de helft is van die van de zon. De microlenzen zouden dus zwakke, uitgedoofde sterretjes kunnen zijn, maar sommige astronomen denken ook aan meer exotische objecten, zoals zwarte gaten. Objecten als grote planeten en bruine dwergen (onvolgroeide sterren) zouden hooguit een kleine bijdrage aan de donkere materie in de halo kunnen leveren. Zij zouden helderheidsvariaties op veel kortere tijdschalen moeten veroorzaken en die heeft de MACHO-groep niet gezien. Tot een soortgelijke conclusie komt de Franse EROS-groep in het januarinummer van Astronomy & Astrophysics. EROS zocht naar microlensverschijnselen op tijdschalen van een kwartier tot enkele dagen, maar vond er geen.

ONDERLINGE PASSAGE

In de richting van het melkwegcentrum bewegen de sterren sneller en is de kans op een onderlinge passage groter. Hier zijn tot nu toe ruim honderdvijftig microlens-kandidaten gevonden. Ook dit aantal is groter dan op grond van het aantal zichtbare sterren wordt verwacht en ook hier betreft het objecten met een massa wat kleiner dan die van de zon. Met één uitzondering: een mogelijke microlens met een lichtwisseling van 2,5 dagen, wat wijst op een massa van slechts tweemaal die van Jupiter. De MACHO-astronomen denken een reuzenplaneet te hebben ontdekt, die in een heel grote baan om een ster draait of er misschien los van is geraakt. Maar ook hier denken sommige anderen eerder aan een klein zwart gat.

De microlenzen kunnen trouwens ook als een soort supertelescopen worden gebruikt. Zo kunnen sterren op grote afstand van de zon spectroscopisch worden bestudeerd en kan men informatie over hun snelheid, oppervlaktetemperatuur en chemische samenstelling afleiden.

Microlenzen zijn ook een veelbelovend hulpmiddel voor het zoeken naar planeten bij andere sterren. Een extra 'piekje' in de lichtkromme van een achtergrondster kan wijzen op de aanwezigheid van een planeet bij het donkere object dat als microlens fungeert. Zo'n piekje duurt korter dan één dag. Een verstoring van ongeveer één procent zou kunnen wijzen op een planeet met een massa van die van de aarde; een grotere verstoring wijst op een zwaarder object.

In feite is deze techniek de enige waarmee planeten met een massa van die van de aarde bij andere sterren kunnen worden gesignaleerd. De andere technieken, gebaseerd op het spectroscopisch of astrometrisch zoeken naar een minieme, periodieke variatie in de beweging van een (zichtbare) ster, brengen alleen planeten met een minimale massa in de orde van die van Jupiter aan het licht. Twee wereldwijde groepen, PLANET en GMAN (Global Microlensing Alert Netwerk), zijn nu langs deze nieuwe weg naar extrasolaire planeten aan het zoeken.

De massa van een microlens-object wordt afgeleid uit de helderheidsvariatie, maar ook de afstand en de snelheid van de lens spelen een rol. Die grootheden kunnen nu alleen langs statistische weg worden geschat. Er zijn al verschillende vernuftige ideeën en technieken naar voren gebracht om ook de afstand en/of snelheid van de microlens te kunnen meten. Het meest veelbelovende voorstel is een satelliet die op grote afstand van de aarde microlenzen observeert. Als gevolg van het verschilzicht (parallax) verschilt de lichtwisseling die de satelliet waarneemt met wat we op aarde zien en daaruit zou dan in ieder geval de afstand kunnen worden afgeleid. Het voorstel voor zo'n satelliet, MIDEX, sterk gepromoot door de Amerikaanse astronoom Andrew Gould, ligt echter diep in een lade.

Ook door het constant bewaken van sterren in andere, nabije sterrenstelsels, zou men donkere objecten in de halo rond ons melkwegstelsel op het spoor kunnen komen. Er wordt zelfs gespeculeerd over de mogelijkheid om met behulp van microlenzen sterrenstelsels zelf te gaan bestuderen. In dat geval zou men als achtergrondbronnen quasars moeten gebruiken: puntvormige objecten ver weg in het heelal.

Als zo'n verre quasar zich, onmerkbaar langzaam, achter een sterrenstelsel langs beweegt, fungeren de sterren in het voorgrondstelsel als evenzovele microlensjes: samenwerkend als het facetoog van een insect. Het patroon van de aldus gecreëerde helderheidsvariaties bevat dan informatie over de structuur van het sterrenstelsel, waarbij verschillende soorten sterrenstelsels verschillende soorten patronen te zien zouden geven. Zo werkt het principe van deze onderzoektechniek tenminste: de toepassing is nog toekomstmuziek.

Macrolenzen

Al langer bekend in het heelal is het verschijnsel 'macrolens': de afbuiging van licht in het gravitatieveld van een geheel sterrenstelsel. Het licht van een object dat er precies achter staat - een ander sterrenstelsel of een quasar - kan dan over een hoekje van vele boogseconden worden afgebogen. Dit effect, dat dus een factor miljoen groter is dan dat van een 'microlens', werd in 1937 voorspeld door de Amerikaanse astronoom Frits Zwicky en in 1979 bij toeval ontdekt bij een quasar. Sterrenstelsels kunnen twee-, drie- of zelfs viervoudige afbeeldingen van één en dezelfde quasar produceren. Compacte clusters van sterrenstelsels zijn soms omringd door 'boogjes', sterk vervormde beeldjes van sterrenstelsels op de achtergrond. Zulke boogjes zijn in feite onvolledige Einsteinringen. Door een macrolens wordt ook de helderheid van het achtergrondstelsel vergroot en kunnen ook van 'onzichtbare' stelsels de afstand, chemische samenstelling en andere eigenschappen worden afgeleid.