Donkere materie gravitatie kosmologie astrofysica
Herproductie van het artikel uit Le Monde van vrijdag 17 maart 2000
Als donkere materie de lichtweg afbuigt, bestaat ze dan wel degelijk
De vervorming van beelden van verre sterrenstelsels bewijst het bestaan van enorme, onzichtbare objecten. Al jaren zoeken astronomen naar bewijs van donkere materie (90% van de materie in het heelal). Veel hypothese zijn voorgesteld om de aard van dit materiaal te verklaren dat onzichtbaar blijft voor telescopen: zware objecten (bruine dwergen) en elementaire deeltjes (neutrino’s). Maar het klopt niet. Daarom denken wetenschappers dat deze materie mogelijk bestaat uit theoretische deeltjes die nog moeten worden ontdekt. Astronomen zijn duidelijk: 90% van de materie in het heelal blijft onzichtbaar voor hun telescopen. Alleen sterrenstelsels en de miljarden sterren die ze vormen, donkere of heldere nevels die de hemel versieren, en gigantische energie-uitbarstingen waarvan de productiemechanismen nog niet volledig begrepen zijn, komen op foto’s voor (…). Dankzij technologische vooruitgang zijn nieuwe vensters geopend in het infrarood, ultraviolet, röntgenstraling en gammastraling. Onlangs hebben astronomen ook de neutrino-astronomie ingezet, deeltjes die vluchtig zijn maar een aanzienlijke massa kunnen bijdragen aan het heelal. …Maar theoretici weten goed dat zelfs met al deze ontdekkingen het grootste deel van het heelal onzichtbaar blijft voor de astronomische gemeenschap, die zich niet kan tevredenstellen met het beperkte experimentele terrein – slechts 10% van alles – dat haar wordt aangeboden. Daarom zoeken zij al jaren naar bewijs van deze beroemde donkere materie, een hoofdcomponent van ons heelal. Een team van het Institut d’Astrophysique van Parijs, samen met Franse astronomen (CEA Saclay, Canada-France-Hawaii-Telescoop (CFHT) en Laboratoire d’Astronomie Spatiale van Marseille) en buitenlandse onderzoekers (Canada, Duitsland, Verenigde Staten), heeft nu een nieuw venster geopend op deze wereld. Net voor een Brits team onder leiding van Richard Ellis (Cambridge en Caltech) en een Amerikaans team onder leiding van Tyson (Bell Labs, New Jersey), die beide gedeeltelijk dezelfde resultaten bevestigen.
Hoe hebben de onderzoekers het onzichtbare overwonnen en de bestaan van donkere materie bevestigd? Door gebruik te maken van een principe dat zegt dat licht afbuigt in de buurt van enorme massa’s (zon, galaxie-afstanden), onder invloed van gravitatie. Deze hypothese is al vele malen bevestigd. Maar astronomen vroegen zich af of hetzelfde effect ook zou kunnen worden waargenomen bij donkere materie, die verondersteld wordt zeldzaam en in grote hoeveelheden te zijn. Als dat zo was, zou deze donkere materie haar aanwezigheid verraden zonder zelf gezien te kunnen worden. “Cosmische astigmatisme”. “In 1991 legde Yannick Mellier van het Institut d’Astrophysique van Parijs uit dat de theorie voorspelde dat verre objecten zoals sterrenstelsels, door de aanwezigheid van grote hoeveelheden donkere materie op hun lichtweg, lichtelijk vervormd zouden verschijnen en langgerekte ellipsvormige vormen zouden vertonen. Maar volgens berekeningen was dit effect zo klein dat het detecteren een uitdaging was.” Bovendien ontbraken de onderzoekers destijds een theoretisch model om eventuele metingen te bevestigen, evenals camera’s die krachtig genoeg waren om ze uit te voeren. Sindsdien is de CFH 12K-camera ontwikkeld en heeft de Canadees Ludovic Van Waerbeke specifieke verwerkingsinstrumenten ontwikkeld voor dit onderzoeksprogramma. Na vijf jaar analyseren van de zo’n 200.000 verre sterrenstelsels die gefotografeerd zijn door de Canada-France-Hawaii-Telescoop, zijn de onderzoekers eindelijk succesvol. Op de beelden van de hemel achtergrond die door de CFHT zijn genomen, verschijnen nu na een passende verwerking honderden kleine groenblauwe ellipsen, elk een sterrenstelsel. …Kan men daaruit concluderen dat dit fenomeen werkelijk het gevolg is van een gravitationele afbuiging van het licht uit de sterrenstelsels? “Zeker (...),” antwoordt Yannick Mellier. “Zonder materie op de lichtweg – dus zonder gravitationele invloed – zien zelfs elliptische sterrenstelsels eruit als kleine ronde stippen. In het andere geval is het beeld gevuld met kleine ellipsen. Bovendien heeft de gravitationele invloed een tendens om deze sterrenstelsels te ordenen, net zoals een magneet ijzertjes richt volgens de lijnen van een magnetisch veld.” Onbekende deeltjes. Het zijn deze onmerkbare vervormingen en de herstructurering van de sterrenstelsels die het mogelijk maken te stellen dat het licht is afgebogen door diffuse, onzichtbare materie-filamenten. Een materie met een lage dichtheid (in tegenstelling tot die van de zon of sterrenstelselcluster), maar waarvan de effecten toch waarneembaar zijn, dankzij hun enorme uitgebreidheid: 100 miljoen tot een miljard parsec (1 parsec is gelijk aan 3,36 lichtjaar). Voor vergelijking: onze melkweg is slechts 34.000 parsec lang in haar grootste afmeting. …Op het driedimensionale model dat het Franse team op de computer heeft gereconstrueerd, is het effect indrukwekkend. In hun reis naar ons verandert het licht voortdurend van richting in de buurt van deze filamenten, die als een soort Gouda-kaas in de ruimte lijken te zijn geplaatst. Een structuur die het verhaal van het heelal vertelt en de beginsituatie van zijn vorming onthult. Want donkere materie, die ons onzichtbaar blijft, is niet van dezelfde aard (baryonisch) als de materie waaruit sterren en wijzelf bestaan. Volgens theoretici zou het bestaan uit deeltjes – zwakke interactierende massieve deeltjes (WIMPs), axionen, supersymmetrische deeltjes, enzovoort – die nog moeten worden ontdekt. …Een nieuw venster is net opengegaan, voor astronomen om zich erin te storten. Binnen twee jaar zal op de CFHT een camera vier keer groter dan de huidige, de MégaCam, in gebruik worden genomen, ontwikkeld door het CEA van Saclay. In een verder afgelegen toekomst is een netwerk van honderd telescopen van één meter diameter voorzien, en het lanceren van een Amerikaans satelliet, Snapsat, gewijd aan explosieve sterren (supernova’s), maar ook in staat om de effecten van donkere materie te volgen.
Jean-François Augereau