Het universum is doordrongen van een enorm, onzichtbaar web, waarvan de ranken door de ruimte weven. Maar ondanks het organiseren van de materie die we in de ruimte zien, is dit donkere web onzichtbaar. Dat komt omdat het bestaat uit donkere materie, die een zwaartekracht uitoefent maar geen licht afgeeft.
Dat wil zeggen, het web was tot nu toe onzichtbaar. Voor het eerst hebben onderzoekers enkele van de donkerste uithoeken van het universum verlicht.
Het web weven
Lang geleden was het universum heter, kleiner en dichter dan het nu is. Het was ook gemiddeld veel saaier. Er was niet veel variatie in dichtheid van plaats tot plaats. Natuurlijk was de ruimte over het algemeen veel krap, maar in het jonge universum, waar je ook ging, waren de dingen vrijwel hetzelfde.
Maar er waren kleine, willekeurige verschillen in dichtheid. Die klompjes hadden iets meer aantrekkingskracht dan hun omringende buurt, en dus stroomde er materie in hen. Op deze manier groter geworden, ontwikkelden ze een nog sterkere zwaartekrachtsinvloed, trokken ze meer materie naar binnen, waardoor ze groter werden, enzovoort, enzovoort, gedurende miljarden jaren. Tegelijkertijd, naarmate de klompjes groeiden, werden de ruimtes ertussen leeg.
In de loop van de kosmische tijd werden de rijken rijker en de armen armer.
Uiteindelijk groeiden de dichte plekken uit tot de eerste sterren, sterrenstelsels en sterrenhopen, terwijl de ruimtes ertussen de grote kosmische holtes werden.
Nu, 13,8 miljard jaar na dit enorme bouwproject, is de klus nog niet helemaal af. De materie stroomt nog steeds uit de holtes en voegt zich bij groepen sterrenstelsels die in dichte, rijke clusters stromen. Wat we vandaag hebben, is een enorm, complex netwerk van filamenten van materie: het kosmische web.
Een licht in het donker
De overgrote meerderheid van de materie in ons universum is donker; het heeft geen interactie met licht of met de "normale" materie die we zien als sterren en gaswolken en andere interessante dingen. Als gevolg hiervan is een groot deel van het kosmische web voor ons volledig onzichtbaar. Gelukkig, waar de donkere materie zich verzamelt, sleept het ook wat gewone materie mee om mee te doen met het plezier.
In de dichtste delen van ons universum, waar het zwaartekrachtsgefluister van donkere materie genoeg reguliere materie heeft beïnvloed om samen te smelten, zien we licht: de reguliere materie heeft zichzelf omgezet in sterren.
Als een vuurtoren aan een verre, zwarte kust vertellen de sterren en sterrenstelsels ons waar de verborgen donkere materie op de loer ligt, waardoor we een spookachtige schets krijgen van de ware structuur van het kosmische web.
Met deze bevooroordeelde weergave kunnen we de clusters gemakkelijk zien. Ze springen eruit als gigantische steden gezien vanaf een rode-ogen-vlucht. We weten zeker dat er een enorme hoeveelheid donkere materie in die structuren zit, omdat je veel zwaartekracht nodig hebt om zoveel sterrenstelsels samen te voegen.
En aan de andere kant van het spectrum kunnen we gemakkelijk de lege ruimtes zien; het zijn de plaatsen waar niet alles aan de hand is. Omdat er geen sterrenstelsels zijn om deze ruimtes te verlichten, weten we dat ze over het algemeen echt leeg zijn.
Maar de grootsheid van het kosmische web ligt in de delicate lijnen van de filamenten zelf. Deze dunne ranken van sterrenstelsels strekken zich uit over miljoenen lichtjaren en fungeren als grote kosmische snelwegen die zwarte leegten doorkruisen en heldere stedelijke clusters met elkaar verbinden.
Door een zwakke lens
Die filamenten in het kosmische web zijn het moeilijkste deel van het web om te bestuderen. Ze hebben een aantal sterrenstelsels, maar niet veel. En ze hebben allerlei lengtes en oriëntaties; de clusters en holtes zijn in vergelijking geometrisch kinderspel. Dus hoewel we al tientallen jaren bekend zijn met het bestaan van filamenten, via computersimulaties, hebben we het eigenlijk moeilijk gehad, weet je, om ze te zien.
Onlangs maakte een team van astronomen echter een grote vooruitgang bij het in kaart brengen van ons kosmische web en publiceerde hun resultaten op 29 januari in de arXiv-database. Hier is hoe ze zaken deden:
Eerst namen ze een catalogus van zogenaamde lichtgevende rode sterrenstelsels (LRG's) uit de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) -enquête. LRG's zijn enorme beesten van sterrenstelsels, en ze zitten meestal in het midden van dichte klodders donkere materie. En als de LRG's in de dichtste regio's zitten, dan moeten de lijnen die ze verbinden gemaakt zijn van de meer delicate filamenten.
Maar staren naar de ruimte tussen twee LRG's zal niet productief zijn; er zijn niet veel spullen. Dus nam het team duizenden paar LRG's, lijnde ze opnieuw uit en stapelde ze op elkaar om een samengestelde afbeelding te maken.
Met behulp van dit gestapelde beeld telden de wetenschappers alle sterrenstelsels die ze konden zien, waarbij ze hun totale lichtbijdrage optelden. Hierdoor konden onderzoekers meten hoeveel normale materie de filamenten tussen de LRG's bevatte. Vervolgens keken de onderzoekers naar de sterrenstelsels achter de filamenten, en specifiek naar hun vormen.
Terwijl licht van die achtergrondstelsels de tussenliggende filamenten doorboorde, stootte de zwaartekracht van de donkere materie in die filamenten zachtjes het licht aan, waardoor de beelden van die sterrenstelsels enigszins verschoven. Door de mate van verschuiving te meten (door de wetenschappers "shear" genoemd), kon het team de hoeveelheid donkere materie in de filamenten schatten.
Die maat kwam overeen met theoretische voorspellingen (een ander punt voor het bestaan van donkere materie). De wetenschappers bevestigden ook dat de filamenten niet helemaal donker waren. Voor elke 351 zonnen massa in de filamenten was er 1 zonnen aan lichtopbrengst.
Het is een ruwe kaart van de filamenten, maar het is de eerste, en het laat absoluut zien dat hoewel ons kosmische web grotendeels donker is, het niet helemaal zwart is.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij SUNY Stony Brook en het Flatiron Institute, gastheer van Ask a Spaceman en Space Radio, en auteur van Your Place in the Universe.
