Puzzelen aan een driedimensionale kaart van het vroege heelal

Astronomie Het heelal is een grote leegte. Maar daarin is een kolossaal netwerk van draden gespannen, het kosmisch web. Nu kunnen we het eindelijk zien.

„Heel spannend”, zegt Karina Caputi van het Kapteyn Instituut van de Rijksuniversiteit Groningen over de nieuwe ontdekking van een enorm cluster van onderling verbonden sterrenstelsels. „We beschikken al heel lang over theoretische modellen van het kosmische web, maar nu zien we het ook echt!”

Begin oktober maakten Japanse en Britse astronomen in Science bekend dat ze een stukje van dat zogeheten kosmische web hebben opgespoord, een kolossaal netwerk van draderige structuren, waar zich de meeste materie in het heelal heeft verzameld. Op twaalf miljard lichtjaar afstand is een massarijke cluster van sterrenstelsels waargenomen waarvan de afzonderlijke leden zijn verbonden met een netwerk van filamenten, die zich uitstrekken over afstanden van meer dan drie miljoen lichtjaar. Via deze draden worden de jonge stelsels voorzien van gas, dat wordt gebruikt voor de vorming van nieuwe sterren en de groei van zwarte gaten.

Universitair hoofddocent Karina Caputi, afkomstig uit Argentinië, heeft met een beurs van de Europese Onderzoeksraad een team opgezet dat de evolutie van sterrenstelsels in het vroege heelal onderzoekt. In rap tempo praat ze me bij over de kosmische ‘hoofdstructuur’ die ondanks haar kolossale afmetingen niet goed te zien is. Dat komt doordat het simpelweg heel moeilijk is om een compleet overzicht te krijgen van het heelal. Het is bijna alsof je een olifant probeert te reconstrueren aan de hand van microscoopbeelden.

Energie niet gelijk verdeeld

„Het kosmische web is een patroon dat wordt afgebakend door allerlei soorten materie, en met name sterrenstelsels”, aldus Caputi. „De materie in het heelal is niet homogeen verdeeld: op de ene plek zit meer dan op de andere.”

Deze materieconcentraties zijn ontstaan doordat de energie die vrijkwam bij de oerknal – de ‘geboorte van ons heelal’, bijna 14 miljard jaar geleden – niet volkomen gelijkmatig was verdeeld. Als dit wél zo was geweest, zouden er nooit sterren en planeten zijn ontstaan in het heelal, en zou ook mijn interview met Caputi dus nooit hebben plaatsgevonden. Er zou trouwens ook niemand zijn geweest om het te lezen.

Maar gelukkig voor ons allemaal waren er vroeg in het heelal plekken waar zich iets meer energie verzamelde dan elders. Sinds Einstein weten we dat energie en massa equivalent zijn.

Die minieme energiefluctuaties hadden daardoor uiteindelijk tot gevolg dat zich op sommige plaatsen in het heelal meer massa verzamelde dan elders, voornamelijk in de vorm van donkere materie. Dat is materie die geen waarneembare vorm van licht of andere straling uitzendt, maar wel zwaartekracht uitoefent op zijn omgeving. „Zo ontstond een draderige structuur van filamenten, met grote leegtes daartussen – plekken waar zich juist minder materie bevond”, legt Caputi uit. „Daarbuiten was er ook veel gewoon gas, met name waterstof. Zo’n gas is heel beweeglijk: het gaat stromen en dan bij voorkeur naar plekken waar de zwaartekrachtsaantrekking het grootst is. Naar de filamenten toe dus, en meer nog naar de knooppunten waar verschillende filamenten bij elkaar komen.”

Nu minder gas beschikbaar

Op die manier ontstonden verdichtingen van gas, gaswolken zeg maar, waarin zich sterren en sterrenstelsels konden vormen. Volgens Caputi verliep dat proces helemaal vanzelf en is het ook nooit echt gestopt: „Het gaat nu wel veel trager dan in het begin. Aanvankelijk had het waterstofgas in het heelal nog vrij spel. Maar in de loop van de kosmische geschiedenis is een flink deel ervan gebruikt om sterren en sterrenstelsels te vormen. Er is nu dus veel minder gas beschikbaar.”

Dat er zoiets als een kosmisch web bestaat wordt al vermoed sinds de jaren 50. De eerste concrete aanwijzing was de verdeling van relatief nabije sterrenstelsels. „Wanneer je de sterrenstelsels in onze naaste omgeving in kaart brengt, valt op dat deze niet gelijkmatig zijn verdeeld”, zegt Caputi. „Op sommige plekken hebben zich veel, vaak ook grote, sterrenstelsels verzameld. Maar elders tref je slechts sporadisch stelsels aan. Hun verdeling is dus verre van homogeen.”

Speuren met het blote oog

Deze ongelijkmatige verdeling werd voor het eerst opgemerkt door de astronomen Donald Shane en Carl Wirtanen. Zij speurden met het blote oog fotografische platen van de Lick-sterrenwacht in Californië af en brachten daarbij ongeveer een miljoen sterrenstelsels in kaart. Dat monnikenwerk werd in 1977 nog eens dunnetjes overgedaan door Ray Soneira en de recente Nobelprijswinnaar Jim Peebles, die de Lick-platen hebben gedigitaliseerd en daar ook een computermodel op hebben losgelaten. Op de daaruit voortkomende Soneira-Peebles-kaart zijn duidelijke clusters van sterrenstelsels te herkennen, en met een beetje fantasie zie je er ook draderige structuren in. De kaart was echter ‘plat’: je kon er niet aan zien hoe al die stelsels ruimtelijk verdeeld zijn.

„Maar ook langs theoretische weg kom je uit bij het kosmische web”, benadrukt Caputi. „Berekeningen laten zien dat als de energie die vrijkwam bij de oerknal net niet homogeen verdeeld was, er onder invloed van de zwaartekracht en de uitdijing van het heelal een web van filamenten, knooppunten en leegtes ontstaat.”

Dat het zo lang heeft geduurd voordat er een directe glimp van werd opgevangen, komt door de beschikbare apparatuur. Om ruimtelijke kaarten van het heelal te kunnen maken, moeten de afstanden van de verschillende objecten bekend zijn. Deze afstanden laten zich bepalen met een spectrograaf, een instrument dat het licht van een object in verschillende golflengten opsplitst. Bij het opsporen van het kosmische web volstaat een ‘gewone’ spectrograaf echter niet.

Onverwachte ontdekkingen

„Met een normale spectrograaf moet je van tevoren een object selecteren, maar waar de filamenten van het kosmische web zitten, weet je niet precies”, licht Caputi toe. „Maar met de MUSE-spectrograaf van ESO kun je naar een willekeurig stukje hemel kijken – in dit geval het gebied rond een verre jonge cluster van sterrenstelsels – en van alles wat daar te zien is een spectrum vastleggen. Zo kun je compleet onverwachte ontdekkingen doen. Uniek!” ESO is de Europese sterrenwacht op het zuidelijk halfrond, die diverse vestigingen in het noorden van Chili beheert. MUSE is sinds 2014 gekoppeld aan de Very Large Telescope, een van de grootste telescopen ter wereld.

Volgens Caputi zijn waarnemingen als die van Umehata en zijn team precies in overeenstemming met wat het meest gangbare kosmologische model voorspelt. „Over de juistheid van dat model bestaat weinig twijfel meer”, zegt ze. „Maar dat betekent nog niet dat we ook het ontstaan van sterrenstelsels goed begrijpen. De stap naar een model voor de vorming van sterrenstelsels is heel groot. Bij de groteschaalstructuur van het heelal hoef je in feite alleen rekening te houden met de zwaartekracht. Voor sterrenstelsels ligt dat anders: dat zijn zelfregulerende systemen.

Vlagen van superwinden

Met dat laatste wordt bedoeld dat zich verschillende fysische processen in een sterrenstelsel afspelen die van invloed zijn op hun ‘groei’. De zwaarste sterren in zo’n stelsel sluiten hun bestaan af met een supernova-explosie. Daarbij ontstaat een ‘wind’ van heet gas die de toestroom van koud gas van buitenaf hindert. Nog belangrijker zijn de superzware zwarte gaten die in de kernen van massarijke sterrenstelsels te vinden zijn. Deze zijn omgeven door accretieschijven – schijven van heet gas – die bij vlagen zogeheten superwinden produceren. Beide processen zetten een rem op de stervorming.

„Het lukt de verschillende modellen niet om de volledige evolutie van gaswolk tot sterrenstelsel te verklaren”, bekent Caputi. „Ze worden wel steeds beter, maar we zijn er nog niet.” Zelf geeft zij leiding aan een survey – een ‘hemelverkenning’ – die wordt uitgevoerd met de Amerikaanse ruimtetelescoop Spitzer. „Dat was het eerste instrument waarmee we op mid-infrarode golflengten diep het heelal in konden kijken. Met Spitzer hebben we een stukje hemel ter grootte van de volle maan verkend – enorm groot voor dit soort onderzoek. In dit hemelgebied hebben we 300.000 verre sterrenstelsels ontdekt. Daar zijn we twee jaar mee bezig geweest.”

„Een van de dingen die we hebben ontdekt is dat de sterrenstelsels veel meer geclusterd waren toen het heelal nog maar half zo oud was als nu. En dat geldt dan met name voor rode sterrenstelsels – de oudste die we hebben kunnen opsporen. Dat is ook goed te begrijpen: de eerste stelsels ontstonden op de plekken in het kosmische web waar de concentraties van donkere materie van meet af aan het grootst waren: de knooppunten.”

Kostbaar en enorm groot

Stukje bij beetje komen we meer te weten over de groteschaalstructuur van het heelal. Maar eigenlijk lopen de astronomen voortdurend tegen de beperkingen van hun instrumenten aan. Het liefst zou Caputi de beschikking willen hebben over een grótere versie van MUSE, maar die gedroomde spectrograaf zou heel complex, kostbaar en vooral ook enorm groot zijn. Zó groot, dat hij zich maar moeilijk aan een telescoop laat koppelen.

Voorlopig heeft zij daarom haar hoop gevestigd op heel andere instrumenten, zoals de nog in aanbouw zijnde radiotelescoop SKA – de Square Kilometre Array – waarmee de verdeling van waterstofgas in het vroege heelal in kaart kan worden gebracht. Maar nog meer kijkt ze uit naar de Europese ruimtetelescoop Euclid, waarvan de lancering voor juni 2022 gepland staat. Euclid zal nauwkeurige metingen gaan doen van de afstanden van een miljoen sterrenstelsels, wat een duidelijker beeld zal opleveren van de structuur van het kosmische web.

Caputi kan bijna niet wachten: „Het kosmische web is een belangrijk onderzoeksterrein waar we al heel lang bezig zijn, en eindelijk begint er schot in te komen.”

In een eerdere versie van dit artikel stond de zin ‘Op twaalf miljard lichtjaar afstand is een massarijke cluster van sterrenstelsels waargenomen waarvan de afzonderlijke leden zijn verbonden met een netwerk van filamenten, die zich uitstrekken over afstanden van meer dan drie miljard lichtjaar.’ Dat laatste getal moet drie miljoen lichtjaar zijn, en is verbeterd.