Het verste sterrenstelsel dat ooit is waargenomen, is zo ver weg dat het sterlicht dat we nu detecteren minder dan 500 miljoen jaar na de oerknal werd uitgezonden. Het heeft ongeveer 13 miljard jaar geduurd om ons te bereiken. Maar er zijn veel dingen over een melkwegstelsel die we niet kunnen zien. Bijvoorbeeld, we denken dat sterrenstelsels zijn ondergedompeld in gigantische "halo's" van een onzichtbare substantie die donkere materie wordt genoemd. Wetenschappers weten eigenlijk niet wat donkere materie is, maar ze weten dat het bestaat omdat het een aantrekkingskracht uitoefent op omringende materie.

Nu ons nieuwe onderzoek, gepubliceerd in Natuurastronomie , presenteert een manier waarop we kunnen leren hoe sterrenstelsels zijn geëvolueerd binnen dit vreemde, donkere materie gedurende het grootste deel van de kosmische tijd.

Dat we licht kunnen zien dat 13 miljard jaar geleden werd uitgestraald, klinkt misschien verbazingwekkend. Maar we kunnen het uitgestraalde licht zelfs nog eerder zien - voordat sterrenstelsels werden gevormd. Gedurende een paar honderd millennia na zijn oprichting, het universum was een hete puinhoop van lichtdeeltjes (fotonen), elektrisch geladen protonen en elektronen (plasma), evenals donkere materie. De fotonen werden gevangen tussen het plasma:continu "verstrooid" in willekeurige richtingen door bijna constante interacties met de vrije elektronen.

Alsof je een drukke, bruisende kamer, de gemiddelde padlengte van elk foton was erg kort voor de volgende interactie. Dit maakte het universum ondoorzichtig - als je door dit medium zou proberen te kijken, zou het zijn alsof je in een mistbank kijkt.

Maar 380, 000 jaar na de oerknal, het universum was uitgebreid en afgekoeld tot een punt waarop de vrije elektronen konden binden met de protonen om waterstofatomen te vormen. De verstrooiing hield snel op, waardoor de fotonen vrij door het universum kunnen stromen zonder dat vrije elektronen in de weg zitten.

Aangezien deze overgang overal in het universum vrij snel plaatsvond, vanuit ons gezichtspunt is het alsof al deze fotonen plotseling vrijkomen uit de binnenkant van een enorme schil die de ondoorzichtige soep van deeltjes en donkere materie bevat. Effectief, deze "schaal" is het verste "object" dat we kunnen zien, op een afstand van 45 miljard lichtjaar. Wetenschappers noemen het het oppervlak van de laatste verstrooiing.

Reizen door de kosmos, deze fotonen verliezen energie naarmate het universum blijft uitdijen, hun golflengten uitrekken. En we kunnen ze detecteren in de kosmische microgolfachtergrond, of CMB, dat is de straling die overblijft na de geboorte van het universum.

Een kosmische achtergrondverlichting

We bestuderen de CMB nu al tientallen jaren:veel informatie over de eigenschappen van het vroege heelal is gecodeerd in het licht ervan. Maar sinds kort is het mogelijk om er nog meer informatie uit te halen door gebruik te maken van het feit dat elk foton in deze straling door een heelal heeft moeten reizen dat gevuld is met materie.

Einstein's algemene relativiteitstheorie beschrijft zwaartekracht als een vervorming van ruimte-tijd als gevolg van de aanwezigheid van een object met massa. Deze vervorming kan de paden van fotonen die langs het object gaan, afbuigen - een fenomeen dat bekend staat als zwaartekrachtlensing. Dus door te kijken hoe licht van een achtergrondbron (zoals een melkwegstelsel) wordt afgebogen door een object ervoor, we kunnen de eigenschappen van dat voorgrondobject bepalen.

Het oppervlak van de laatste verstrooiing werkt als een kosmisch achtergrondlicht, schijnt door alle de materie in het universum. Als resultaat, de fotonen van de CMB worden door de zwaartekracht van een lens voorzien door de tussenliggende materie tussen het oppervlak en ons. Onze blik op de CMB is als onze blik op een ver landschap gezien door een ruit vol met subtiele onvolkomenheden.

Opmerkelijk, we kunnen nu deze onvolkomenheden aan de hemel in kaart brengen, ons voorzien van een middel om de zwaartekrachtafdruk van alle massa in het waarneembare heelal te "zien". Dit geeft ons een nieuwe manier om sterrenstelsels te bestuderen. Bijvoorbeeld, we kunnen de hoeveelheid CMB-lens in verschillende richtingen meten en kosmische structuren wegen door simpelweg te kijken hoeveel ze het CMB-licht hebben afgebogen. Dit is wat we zojuist hebben gedaan voor de meest massieve objecten in het universum:clusters van sterrenstelsels.

Een nieuwe manier van wegen

Clusters van sterrenstelsels bevatten niet alleen sterrenstelsels:de ruimte tussen de sterrenstelsels is gevuld met een heet plasma, en de sterrenstelsels en het gas zijn ondergedompeld in donkere materie. Tel het allemaal bij elkaar op en de totale massa overschrijdt honderdduizend miljard zonnen, het creëren van grote valleien in ruimte-tijd.

Wetenschappers zijn al lang op zoek naar een betrouwbare methode om het aantal sterrenstelsels in clusters te vertalen naar de totale massa donkere materie, gas en sterren. Hiervoor kunnen we nieuwe lenskaarten van de CMB gebruiken. De lenskaarten worden geconstrueerd door kaarten van de temperatuurschommelingen van de CMB te onderzoeken. In regio's waar CMB-fotonen sterk zijn afgebogen, in de temperatuurverdeling is een subtiele signatuur gedrukt. Het zorgvuldig filteren van de temperatuurkaart onthult het patroon van lensvorming aan de hemel.

Door de gemiddelde doorbuiging van CMB-fotonen rond clusters te meten, we hebben laten zien hoe de hoeveelheid doorbuiging – en dus de totale massa aanwezig, inclusief donkere materie - hangt af van het aantal sterrenstelsels in de cluster. In werkelijkheid, we zien de afdruk in de ruimte-tijd van de enorme halo's van donkere materie.

Met behulp van zwaartekrachtlenzen om de vervormingen in de ruimte-tijd rond sterrenstelsels en clusters te onthullen, en leer daarom iets over hun massadistributie, is niet nieuw. Maar de meeste eerdere onderzoeken hebben betrekking op de lensing van het licht dat afkomstig is van ander achtergrond sterrenstelsels, in plaats van de CMB.

Het gebruik van de CMB als lichtbron biedt enorme voordelen. Als het oppervlak van de laatste verstrooiing oplicht alle voorwerpen ervoor, we kunnen de relatie tussen lichtgevende sterrenstelsels en de donkere materie-structuren die ze bewonen verder terug in de kosmische geschiedenis onderzoeken dan tot nu toe mogelijk is geweest.

Niet alleen zijn de structuren van donkere materie constant in ontwikkeling door zwaartekracht, we weten dat de eigenschappen van sterrenstelsels – zoals hun massa- en stervormingssnelheden – sterk afhankelijk zijn van hun grootschalige omgeving. We begrijpen die link nog steeds niet helemaal, maar CMB-lensing kan ons uiteindelijk helpen te achterhalen hoe het gebeurt.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.