Astronomen hebben decennialang gezocht naar iets dat klinkt alsof het moeilijk te missen is:ongeveer een derde van de 'normale' materie in het heelal. Nieuwe resultaten van NASA's Chandra X-ray Observatory hebben hen mogelijk geholpen deze ongrijpbare uitgestrektheid van ontbrekende materie te lokaliseren.

Van onafhankelijke, goed onderbouwde waarnemingen, wetenschappers hebben vol vertrouwen berekend hoeveel normale materie - waterstof, helium en andere elementen bestonden net na de oerknal. In de tijd tussen de eerste paar minuten en de eerste miljard jaar of zo, veel van de normale materie vond zijn weg naar kosmisch stof, gas en objecten zoals sterren en planeten die telescopen in het huidige heelal kunnen zien.

Het probleem is dat als astronomen de massa van alle normale materie in het huidige heelal bij elkaar optellen, ongeveer een derde daarvan niet kan worden gevonden. (Deze ontbrekende materie onderscheidt zich van de nog steeds mysterieuze donkere materie.)

Een idee is dat de ontbrekende massa zich verzamelde in gigantische strengen of filamenten van warme (temperatuur minder dan 100, 000 Kelvin) en heet (temperatuur hoger dan 100, 000 Kelvin) gas in de intergalactische ruimte. Deze filamenten staan ​​bij astronomen bekend als het "warm-hete intergalactische medium" of WHIM. Ze zijn onzichtbaar voor optische lichttelescopen, maar een deel van het warme gas in filamenten is gedetecteerd in ultraviolet licht.

Door een nieuwe techniek te gebruiken, onderzoekers hebben nieuw en sterk bewijs gevonden voor de hete component van de WHIM op basis van gegevens van Chandra en andere telescopen.

"Als we deze ontbrekende massa vinden, we een van de grootste raadsels in de astrofysica kunnen oplossen, " zei Orsolya Kovacs van het Center for Astrophysics | Harvard &Smithsonian (CfA) in Cambridge, Massachusetts. "Waar heeft het universum zoveel van zijn materie opgeslagen die dingen als sterren en planeten en ons vormt?"

Astronomen gebruikten Chandra om filamenten van warm gas te zoeken en te bestuderen die langs het pad naar een quasar liggen, een heldere bron van röntgenstraling aangedreven door een snel groeiend superzwaar zwart gat. Deze quasar bevindt zich ongeveer 3,5 miljard lichtjaar van de aarde. Als de heetgascomponent van de WHIM wordt geassocieerd met deze filamenten, een deel van de röntgenstralen van de quasar zou door dat hete gas worden geabsorbeerd. Daarom, ze zochten naar een handtekening van heet gas gedrukt in het röntgenlicht van de quasar dat door Chandra werd gedetecteerd.

Een van de uitdagingen van deze methode is dat het signaal van absorptie door de WHIM zwak is in vergelijking met de totale hoeveelheid röntgenstraling die van de quasar komt. Bij het doorzoeken van het hele spectrum van röntgenstralen op verschillende golflengten, het is moeilijk om zulke zwakke absorptiekenmerken - werkelijke signalen van de WHIM - te onderscheiden van willekeurige fluctuaties.

Kovacs en haar team hebben dit probleem overwonnen door hun zoektocht alleen te richten op bepaalde delen van het röntgenlichtspectrum, het verkleinen van de kans op valse positieven. Ze deden dit door eerst sterrenstelsels te identificeren in de buurt van de gezichtslijn naar de quasar die zich op dezelfde afstand van de aarde bevinden als gebieden met warm gas die zijn gedetecteerd op basis van ultraviolette gegevens. Met deze techniek identificeerden ze 17 mogelijke filamenten tussen de quasar en ons, en verkregen hun afstanden.

Door de uitdijing van het heelal, die het licht uitstraalt terwijl het reist, elke absorptie van röntgenstralen door materie in deze filamenten zal worden verschoven naar rodere golflengten. De hoeveelheden verschuivingen zijn afhankelijk van de bekende afstanden tot de gloeidraad, dus het team wist waar het in het spectrum moest zoeken naar absorptie van de WHIM.

"Onze techniek is in principe vergelijkbaar met hoe je efficiënt naar dieren kunt zoeken in de uitgestrekte vlaktes van Afrika, " zei Akos Bogdan, een co-auteur ook van CfA. "We weten dat dieren moeten drinken, dus het is logisch om eerst rond watergaten te zoeken."

Terwijl het verkleinen van hun zoekopdracht hielp, de onderzoekers moesten ook het probleem van de zwakte van de röntgenabsorptie overwinnen. Dus, ze versterkten het signaal door spectra bij elkaar op te tellen van 17 filamenten, een observatie van 5,5 dagen omzetten in het equivalent van bijna 100 dagen aan gegevens. Met deze techniek detecteerden ze zuurstof met kenmerken die erop wezen dat het in een gas zat met een temperatuur van ongeveer een miljoen graden Kelvin.

Door van deze waarnemingen van zuurstof te extrapoleren naar de volledige set elementen, en van het waargenomen gebied tot het plaatselijk universum, de onderzoekers melden dat ze de volledige hoeveelheid ontbrekende materie kunnen verklaren. In dit specifieke geval althans de ontbrekende zaak had zich toch in de WHIM verstopt.

"We waren heel blij dat we een deel van deze ontbrekende materie konden opsporen", zegt co-auteur Randall Smith, ook van CfA. "In de toekomst kunnen we dezelfde methode toepassen op andere quasargegevens om te bevestigen dat dit al lang bestaande mysterie eindelijk is gekraakt."

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, werd gepubliceerd in de Astrofysisch tijdschrift op 13 februari, 2019.