Kosmologie donkere materie structuur van het heelal astrofysica

Ik was verveeld tijdens het astrofysisch congres in Marseille

(juni 2001)

Zoektocht naar donkere materie, wanhopig.

Wetenschappers zijn erg tevreden over de waarnemingen die zijn gedaan in het röntgenbereik met behulp van de telescopen XMM en Chandra. Hieronder een kunstenaarsbeeld van de XMM-ruimtetelescoop:

Ik verwijst hier naar een al oud artikel uit januari 2001, verschenen in het tijdschrift Ciel et Espace, geschreven door Azar Khalatbari. Hier enkele citaten:

Pagina 25: "Tussen de sterrenstelselclusteren concentreert de materie zich om lange structuren, filaments te vormen. Al deze mooie dingen blijven, elk op zijn schaal, aan elkaar gebonden door de zwaartekracht. Lang hebben kosmologen zich afgevraagd hoe de organisatie van de materie evolueerde tot deze filaments en of deze huidige structuren al bestonden in het verleden."

Ik vraag me dat ook af, want deze structuur bestaat, tenminste op het vlak van waarnemingen, alleen in de fantasie van meneer Khalatbari. Een paar regels verder schrijft hij:

• In afwezigheid van waarnemingen over de vroege jeugd van het universum hebben kosmologen hun donkere materie (...) en hun rekenmachines gebruikt om numerieke simulaties te maken. Resultaat: als in de verre verleden de materie bestond uit zeer kleine klontjes (in astronomenjargon: als het universum fluctuaties in dichtheid kende), dan zullen deze oorspronkelijke fluctuaties met de tijd alleen maar zijn vergroot onder invloed van de zwaartekracht. Het resultaat is het huidige beeld.*

Over welk beeld heeft die jongen het? Het artikel blijft stil over dit punt. In juni 2001 ging ik naar een internationaal congres over astrofysica en astronomie in Marseille. Het algemene thema was "Where is the matter?" (Waar is de materie?). Op dergelijke bijeenkomsten worden mensen aangesteld om "surveys" of "overzichten" te geven over verschillende onderwerpen. Ik herinner me dat een Italiaan, wiens naam ik ben vergeten, was belast met het opstellen van een overzicht over de VLS, de "very large structure", de grote-schaalstructuur van het universum. Nou, nu hebben mensen steeds krachtigere telescopen. Acht meter diameter is bijna standaard tegenwoordig. Voeg daar de voordelen van adaptieve optica, ruimte-astronomie en al het andere aan toe. Kortom, waarnemingen worden steeds nauwkeuriger. Die Italiaan toonde ons dan ook doorsneden van het heelal tot op afstanden van honderden miljoenen lichtjaar. Nou, mijn geheugen is nog niet verzwakt. Ik zag talloze afbeeldingen die aantoonden dat deze grotendeels lege structuur van het heelal, ontdekt aan het begin van de jaren zestig, beslist bevestigd leek te worden. Vanaf welke kant je ook kijkt, onder welke hoek dan ook, hoe je het universum ook in plakken snijdt: overal zie je dezelfde structuur in "verbindende bellen". Vervolgens presenteerde de voorzitter resultaten van arachne-achtige simulaties:

Ik bleef, ik moet bekennen, naïef verward zitten. Toen een man een microfoon opnam en vroeg of iemand geen vraag had voor de spreker, hief ik mijn hand op. Men gaf me de microfoon en voor deze verzameling van zo’n tweehonderd deelnemers uit verschillende landen vroeg ik of het niet problematisch was dat deze computer-simulaties en de mooie afbeeldingen van het gatenrijke heelal die we een kwartier eerder hadden gezien, geen duidelijk verband leken te hebben met waarnemingen.

Er volgde een stilte van twintig tot dertig seconden. Een absolute, dikke, scherpe stilte. Ik keek om me heen, luisterde gespannen: niets. Na deze halve minuut van volledige stilte had ik niets anders te doen dan me weer neer te zetten. Was ik "off-topic"? Waarschijnlijk wel. Misschien is de tijd waarin "theoretische resultaten" verondersteld werden te passen bij waarnemingen al voorbij.

Alles doet me denken aan de ellende van Galileï. Toen hij zijn beroemde telescoop in handen kreeg, ontdekte hij dat sommige sterren eigenlijk dubbele systemen waren. Omdat zijn tijdgenoten sceptisch waren, nodigde hij hen uit om zelf door het instrument te kijken, wat ze deden. Denkt u dat dit iets veranderde? Nee hoor. Die mensen zeiden dat het niet kon, omdat die sterren er dubbel uitzagen in zijn instrument, dat rechtstreeks uit de hel was gesmolten. Het lijkt er nu op dat hetzelfde gebeurt in de astronomie. Misschien weet u dat men de laatste dertig jaar nooit is gelukt om deze gatenrijke structuur van het heelal te verklaren. De "crêpe-theorie" van Zel'dovitch heeft geen lange levensduur gehad. In feite, zodra men probeerde om "platen" van materie te maken, verdween die structuur snel door verwarming. Ah, even terzijde: ik had u nog niet verteld met wat onze theoretische simulators hun filamentaire structuur hadden gemaakt. Met CDM (cold dark matter, ofwel "koude donkere materie"). In feite heb ik u net het hele verhaal niet verteld. Ik weet niet waarom ik dat stukje van dit verhaal heb weggezwegen. Om eerlijk te zijn, terwijl de Italiaan zijn presentatie begon, stond ik op de tweede rij, vlak naast de projector. Na mijn vraag over het duidelijke gat tussen "theorie" en "waarnemingen", dat twintig seconden stilte opleverde, voegde ik eraan toe:

• In 1993 werd deze gatenrijke structuur al verkregen door simulatie, uitgaande van een dubbel model.

En ik legde het volgende dia over de projector:

Iedereen kon dus deze afbeelding zien, en ook merken dat het aardig op de eerder getoonde afbeeldingen van waarnemingen leek. Maar niemand zei iets, en ik stond daar als een idioot naast de projector. Iedereen wachtte duidelijk tot ik die ongeplande dia zou verwijderen en me weer zou gaan zitten. Dat deed ik uiteindelijk ook. Volledig mislukt....

Deze afbeelding werd in 1995 gepubliceerd in Astrophysics and Space Science en maakte ook deel uit van mijn presentatie op dat congres (ik had slechts een "poster" gekregen, die niemand bekeek). Bovendien werd het ook weergegeven in mijn boek "We hebben de helft van het universum verloren" (Albin Michel 1997 en Hachette 2000, pocket).**

Toen ik naar dit congres ging (het eerste waar ik sinds 17 jaar aan kon deelnemen, want sinds 1983 heb ik geen cent meer van het CNRS ontvangen voor reiskosten of andere uitgaven), vroeg ik me af of er een dialoog zou zijn. Mijn vrouw zei: "Maak dan maar kopieën van je artikel en leg ze op de tafels, voor de opening van de dinsdagse sessie." Dat deed ik. Ik maakte 70 kopieën van de "lange versie" van mijn artikel (64 pagina’s) en legde ze allemaal op de tafels voor de eerste sessie op dinsdag om 9 uur. Alles werd verwijderd. Ik vond geen enkele kopie in de prullenbakken van het congres of onder een tafel. Aan het eind van het document stonden mijn contactgegevens, mijn e-mailadres.

Zes maanden later: niets. Stilte. Geen enkele vraag, geen vleugje nieuwsgierigheid...

Het lijkt wel een sciencefictionverhaal: een wetenschapper wordt plotseling onzichtbaar zonder het te merken, hij stapt over in een parallel universum. Toch was ik tijdens dit congres heel goed gedragen, beleefd en discreet. Ik had een nette kleding aan. Ik stelde slechts vier of vijf vragen, en allemaal eindigden in een volledige mislukking. Die over de grote-schaalstructuur was er één. Maar ik kwam terug op dat oude nummer van Ciel et Espace en op dat artikel van Khalatbari. Terwijl ik die regels las, kreeg ik het gevoel dat ik in een soort droom zat. De astrofysica is al jarenlang echt dromerig geworden. Tijdens ditzelfde congres kreeg ik de kans om Meillier te ontmoeten, die samen met Fort de eerste kaart van het "onzichtbare universum" heeft opgesteld door deze structuur af te leiden uit de analyse van gravitationele lensing-effecten. Dat is niet zo moeilijk voor te stellen. Denk aan een plastic tafelkleed met witte stippen op een rode (of zwarte, aangezien het het heelal betreft) achtergrond. Als je druppels water op dat tafelkleed legt, veroorzaken die vervormingen van de afbeeldingen van de witte stippen. Als je een foto zou zien van deze tafel in verticale stand, zou je kunnen denken dat je, zonder direct het bestaan van dit doorzichtige water te zien, toch zijn aanwezigheid kunt reconstrueren en kaarten op basis van de vervorming van de afbeeldingen van de stippen. In grote lijnen doen Fort en Meillier precies dat. Ze hebben het "onzichtbare", het "niet-geobserveerde" geïdentificeerd door gebruik te maken van zwakke gravitationele lensing. In 1999 publiceerde het tijdschrift The World een prachtige kleurenweergave van dit resultaat.

Maar al toen waren er al enkele "schaduwplekken" (voor details zie mijn presentatie op het congres van juni 2001), en het woord is goed gekozen. In feite leidde deze kaartmethodiek hen tot concentraties van materie op één of twee plekken, met een massa die minstens gelijk was aan die van duizend sterrenstelsels, dus de massa van de grootste bekende cluster (Coma, de Maagd). En op die plekken: niets zichtbaars, noch in het infrarood, noch in het ultraviolet, noch zelfs in het röntgenbereik. Meillier bevestigde dit tijdens het congres van juni 2001. Hij had zelfs een derde "duister cluster" van deze aard gevonden, enkele maanden daarvoor. Aangezien hij zojuist de betrouwbaarheid van zijn kaartmethodiek had geprezen, vroeg ik hem hoe hij dan de aanwezigheid van die drie duistere clusters kon verklaren, die zo groot waren. Weet u wat zijn antwoord was?

- Die duistere clusters? Ik zal u zeggen wat ik ervan denk: persoonlijk geloof ik er niet in!

Ik kon er niets meer over horen. Zo bevestigde hij zelf zijn eigen werk, maar de zaal leek daar onverschillig voor. Toen begon ik me te vervelen. Tijdens dit congres verveelde ik me echt, ik moet het bekennen. Het is moeilijk om in een sfeer te zitten waarin gesprekken lijken afwezig of rationaliteit lijkt verdwenen. De rollen zijn verdeeld. De "grote namen" presenteren hun resultaten. Er zijn vragen die je niet mag stellen. Je voelt een soort samenzwering. De spelregels zijn vastgesteld, de rollen verdeeld in een toneelstuk waarin degenen die het zoeken in cirkels geen plaats hebben.

Tijdens deze vijf dagen kreeg ik alleen maar een ononderbroken reeks mislukkingen. Noem er nog een. In dat oude nummer van Ciel et Espace vond ik ook een thema van dit congres terug: de resultaten van metingen in het röntgenbereik. Sterrenstelselclusteren zijn daarmee gebleken krachtige röntgenbronnen. 8 tot 15 keV. Dat komt overeen met honderd tot tweehonderd miljoen graden. Er zou dus in deze cluster gas zijn dat zo heet is. Iedereen knikte instemmend, herinnerend aan dit mysterie van het heelal. Ik was weer ongeduldig:

• Kijk eens. Als je de volgende berekening maakt:

dan krijg je voor waterstofatomen een gemiddelde snelheid van 1500 km/s. Is dat niet normaal en redelijk? Deze snelheid is dicht bij de ontsnappingssnelheid van sterrenstelsels. Als de atomen sneller zouden zijn geweest, zouden die stelsels ze hebben gevangen. Al meer dan vijfentwintig jaar geleden, toen men voor het eerst het idee had dat er zo heet gas tussen sterrenstelsels kon zijn, deed ik een berekening, niet erg ingewikkeld, over de gemiddelde vrije weg van deze atomen, gegeven de geschatte dichtheid. Het bleek dat dit milieu zeer weinig botsingen onderging en dat daarom deze temperatuur kon blijven bestaan. Anders zou de energieverlies door botsingen het gas afkoelen en het door de sterrenstelsels opnemen. Op dit punt is de interessante vraag: waar komt die grote hoeveelheid heet gas vandaan? Welk verschijnsel heeft dit gas zo ver opgewarmd? Ik stel voor dat deze warme gasmassa tegelijkertijd is ontstaan met de eerste sterren. We weten eigenlijk nog weinig over de fenomenen die de geboorte van sterren begeleiden, vooral omdat deze geboortes plaatsvinden in de intieme omgeving van gasschillen die deze verschijnselen voor onze ogen verbergen. We weten alleen dat sterren van het type T-Tauri soms zeer chaotische geboortes kunnen hebben. Iedereen vraagt zich dan af: "Waarom zo'n hevige beweging?" Ik zal u zeggen: zelfs sterren met een gematigde oppervlaktetemperatuur zoals onze zon, weten hoe ze in hun omgeving een korona kunnen creëren die veel warmer is, op miljoenen graden.

Ik probeerde toen in een paar zinnen het proces van MHD-verwarming van de zonnekorona te schetsen. En voegde eraan toe:

• Persoonlijk denk ik dat de geboorte van de eerste sterren, die nu oude sterren zijn geworden, vergezeld ging van hevige MHD-verwarmingsverschijnselen, zodat de atomen in dit gas een temperatuur kregen die hoger was dan de ontsnappingssnelheid van het sterrenstelsel waar ze toe behoorden, waardoor ze zonder hoop op terugkeer verlieten.

Het zijn gewoon eenvoudige berekeningen uit de kinetische theorie van gassen. Maar als ik in het martiaans had gesproken, zou ik niet een andere mislukking hebben gekend dan die welke mijn woorden ontmoette. Stel je de scène voor: een zestiger (uw dienaar) neemt het woord. Absolute stilte in de zaal. Men wacht gewoon geduldig tot deze vervelende man weer gaat zitten. Toch is het idee, in zichzelf, interessant. Je kunt je voorstellen dat wanneer een sterrenstelsel ontstaat, deze geboorte vergezeld kan gaan van veel sterrenvorming en een grote energie-uitbarsting. Dit systeem lijkt dan op een "oven". Een massief sterrenstelsel zou meer kans hebben om het residu-gas te verwarmen tot het kan ontsnappen, met thermische bewegingsenergie die hoger is dan de ontsnappingssnelheid. Denk aan massieve, armzalige gassystemen zoals elliptische sterrenstelsels. In tegenstelling tot kleinere sterrenstelsels zouden deze hun gas kunnen behouden zonder dat de waterstofatomen genoeg snelheid krijgen om te ontsnappen. Je kunt ook denken dat elliptische sterrenstelsels ontstaan zijn door botsingen en samensmelting, en dat tijdens die processen het residu-gas zo ver is opgewarmd dat het kon ontsnappen. Dit idee is ook logisch en kan besproken worden. Daarom begrijp ik niet waarom men de aanwezigheid van dit waterstofgas van honderd miljoen graden tussen sterrenstelsels als een volledig mysterie beschouwt. Maar misschien is de tijd nu juist dol op mysterie, wie weet?

Tijdens dit congres presenteerde een jonge Amerikaanse het resultaat van haar computer-simulaties om de vorming van sterrenstelsels te simuleren. Ze kreeg dus klontjes, uitgaande van koude donkere materie, die als iedereen weet 90 tot 95% van de kosmische bouwstoffen uitmaakt. Maar deze jonge vrouw was ontdaan: haar sterrenstelsels draaiden niet.

• We hebben nu een nieuw probleem op ons bord, riep Alain Blanchard met nadruk uit, leider van de "Nieuwe Kosmologen" uit Frankrijk.

Ik vroeg aan de Amerikaanse of ze rekening had gehouden met de uitbreiding. Nee… antwoordde ze verlegen. Bovendien… was de persoon in haar team die zich met kosmologie bezighield, niet aanwezig. Nou ja, uitbreiding is toch kosmologie…

Natuurlijk, maar op de tijden waarop men denkt dat sterrenstelsels konden vormen, was het heelal nog steeds erg compact. Als je 100 miljoen jaar vergelijkt met 15 miljard jaar en je houdt alleen rekening met een wet waarbij afstanden variëren met t2/3, dan komt dat neer op het idee dat deze proto-sterrenstelsels bij hun geboorte 130 keer dichter bij elkaar stonden dan nu (wat onze Melkweg en Andromeda "neus aan neus" zou plaatsen). Met andere woorden, ze waren bijna in contact. Ik concludeer dat deze proto-sterrenstelsels op dat moment een botsende omgeving vormden, en dat de uitbreiding hun botsingsfrequentie heeft doen dalen. Vandaag is de gemiddelde vrije weg van een sterrenstelsel in een cluster van dezelfde orde als de leeftijd van het heelal zelf. Dit verschijnsel is zeldzaam geworden, maar we zien nog steeds veel systemen van twee sterrenstelsels die met elkaar interageren. Ik denk dat proto-clusteren zich gedroegen als botsende gassen en dus streefden naar thermodynamisch evenwicht, waarbij de verschillende energieën tendeerden om gelijk te worden (translatie, rotatie). Maar door de uitbreiding werd dit proces verstoord, waardoor het milieu "buiten evenwicht" bleef. Toen ik probeerde deze kant van het onderwerp te bespreken, weer een mislukking, weer een stilte.

Ik las in een recenter nummer van Ciel et Espace dat het kleine aantal zeer lichte sterren in cluster een mysterie is. Ik denk echter dat dit ook te verklaren valt met eenvoudige principes uit de kinetische theorie van gassen en thermodynamica. In een gasmengsel met twee soorten atomen van verschillende massa’s, gelijkmatigen de gemiddelde kinetische energieën van de afzonderlijke deeltjes. Bijvoorbeeld, een waterstofplasma bij temperatuur T (voldoende hoog om ionisatie te behouden) zijn elektronen gemiddeld 43 keer sneller dan protonen. Dit getal komt overeen met de vierkantswortel van het massa-verhouding.

Anders gezegd, je kunt ook praten in termen van een zogenaamde "slingerwerking": zware sterren versnellen lichtere en werpen die uit het cluster. Maar eerlijk gezegd, hebt u ooit ergens in de astrofysica een dergelijke redenering gehoord of gezien? Een waarnemer is iemand met toegang tot een groot instrument. Een "theoreticus" is iemand met toegang tot een grote computer. Geen behoefte aan donkere materie:

My machine takes care of everything...

Bij het observatorium van Marseille hebben we een team dat al 20 tot 25 jaar elke ochtend hun computers op druk zet. Midden in deze smidse, het paar Bosma (van Nederlandse afkomst) en Athanassoula (van Griekse afkomst).

Albert Bosma, astrofysicus. Laboratorium voor Astrofysica van Marseille

Wat zij doen, is altijd een raadsel voor mij geweest. Al 25 jaar probeerde Athanassoula om sterrenstelsels te maken waarvan de spiraalstructuren niet langer dan één draai hielden. Vandaag is ze overgegaan op cluster van sterrenstelsels, "waarvan ze de geheimen probeert te ontrafelen". Haar man, Bosma, bestuurt de sterrenstelsels met donkere materie in een ad hoc hoeveelheid, voorzien van wat zij een "halo" noemen, totdat de rotatiecurves kloppen. Alles lijkt vervelend tot het uiterste.

Wozniak was een leerling van Athanassoula. Maar het lijkt erop dat hij enkele jaren geleden een scheuring heeft gekregen. Die man simuleert nu door zijn sterrenstelsels empirisch te koelen, hier en daar. Om te voorkomen dat dissipatieve processen de sterren te snel versnellen, vertraagt hij ze met kleine stoten. Ik stel me hem voor als een monteur rond zijn sterrenstelsel, met een spons. Klik, koelt hij hier, klik, koelt hij daar.

Weet u wat? De astrofysica bestaat niet meer. In het DEA leren studenten zich vertrouwd te maken met het grote masturbatie-instrument van deze tijd, de enorme, waanzinnige machine die het brein uitveegt: de computer. Het ding dat denken voorkomt. Vlasov-vergelijking, Poisson-vergelijking? Oei, daar is het te ingewikkeld voor. Newton-wet en klaar...

Uiteindelijk, terwijl we zo hard op zoek zijn naar donkere materie, merken onze astrofysici zelfs niet meer dat ze hun donkere materie zijn kwijtgeraakt.

Teller geïnitialiseerd op 12 december 2001. Aantal bezoeken: