In vroege tijden, het universum was een energetische mix van sterk op elkaar inwerkende deeltjes. De eerste deeltjes die loskwamen van deze dichte soep waren neutrino's, de lichtste en zwakst interagerende deeltjes van het standaardmodel van de deeltjesfysica. Deze neutrino's zijn nog steeds om ons heen, maar zijn erg moeilijk direct te detecteren omdat ze zo zwak op elkaar inwerken. Een internationaal team van kosmologen, waaronder Daniel Baumann en Benjamin Wallisch van de Universiteit van Amsterdam, zijn er nu in geslaagd de invloed van deze 'kosmische neutrino-achtergrond' te meten op de manier waarop sterrenstelsels zijn geclusterd tijdens de evolutie van het heelal. Het onderzoek is gepubliceerd in Natuurfysica deze week.

Als een kiezelsteen in een vijver valt, het creëert rimpelingen op het wateroppervlak die in concentrische cirkels naar buiten bewegen. evenzo, de regio's in het oerplasma met de grootste dichtheden produceerden schillen van materie (meestal protonen en elektronen) die zich naar buiten voortplanten met bijna, maar niet helemaal, de snelheid van het licht. Deze uitwaartse druk van materie werd gecreëerd door het grote aantal hoogenergetische fotonen in het vroege heelal.

ongeveer 380, 000 jaar na de oerknal, toen de vrije elektronen werden gevangen door protonen om te combineren tot elektrisch neutrale waterstofatomen, de verspreiding van deze schillen van materie stopte omdat de fotonen geen interactie meer aangingen met de elektronen. De resulterende bevroren schillen van materie werden de dichte gebieden waarin zich uiteindelijk een overmaat aan sterrenstelsels zou vormen. Dit voorspelt dat er een groter aantal paren sterrenstelsels te vinden is op een afstand van ongeveer 500 miljoen lichtjaar, overeenkomend met de grootte van de bevroren schelpen die in het vroege heelal zijn gemaakt. In 2005, dit effect werd inderdaad voor het eerst waargenomen in de verdeling van sterrenstelsels gemeten door de Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Een neutrino-effect

De aanwezigheid van de kosmische neutrino-achtergrond beïnvloedt het hierboven beschreven beeld op een subtiele, maar relevante manier. Nadat de neutrino's waren losgekoppeld van de rest van de oerstof, ze begonnen te reizen met de snelheid van het licht, iets sneller dan de rest. De schillen van neutrino's haalden daarom de schillen van materie in. Bijgevolg, de aantrekkingskracht van de neutrino's vervormde de materieschillen enigszins, het creëren van kleine vervormingen in de zaden voor de vorming van sterrenstelsels op veel latere tijdstippen. Deze invloed van de kosmische neutrino's op de grootschalige structuur van het heelal zou detecteerbaar moeten zijn door de clustering van sterrenstelsels zorgvuldig te analyseren.

In hun krant Baumann en medewerkers bestudeerden nieuwe SDSS-gegevens van ongeveer 1,2 miljoen sterrenstelsels, tot een afstand van ongeveer 6 miljard lichtjaar. Hun statistische analyse bevestigt de verwachte signatuur van het bad van kosmische neutrino's dat de hele ruimte vult. Deze nieuwe meting vormt een interessante bevestiging van het standaard kosmologische model dat de productie van neutrino's één seconde na de oerknal koppelt aan de clustering van sterrenstelsels miljarden jaren later.