Hubble's weergave van de enorme melkwegcluster MACS J0717.5 + 3745. Credit:
NASA, ESA, Harald Ebeling (University of Hawaii in Manoa) en Jean-Paul Kneib (LAM)
Eerder dit jaar konden astronomen die de Hubble-ruimtetelescoop gebruikten een dun filament van donkere materie identificeren dat een paar verre sterrenstelsels aan elkaar leek te binden. Nu is er een ander filament gevonden, en wetenschappers hebben een driedimensionaal beeld van het filament kunnen produceren, de eerste keer ooit dat de moeilijk te detecteren donkere materie zo gedetailleerd kon worden gemeten. Hun resultaten suggereren dat het filament een hoge massa heeft en, zeggen de onderzoekers, dat als deze metingen representatief zijn voor de rest van het heelal, deze structuren meer dan de helft van alle massa in het heelal kunnen bevatten.
Men denkt dat donkere materie vanaf het begin deel uitmaakte van het heelal, een overblijfsel van de oerknal dat de ruggengraat vormde voor de grootschalige structuur van het heelal.
"De filamenten van het kosmische web zijn enorm uitgebreid en zeer diffuus, waardoor ze extreem moeilijk te detecteren zijn, laat staan in 3D te bestuderen", zegt Mathilde Jauzac, van het Laboratoire d'Astrophysique de Marseille in Frankrijk en de Universiteit van KwaZulu-Natal, in het zuiden Afrika, hoofdauteur van de studie.
Het team combineerde hoge resolutiebeelden van de regio rond de enorme melkwegcluster MACS J0717.5 + 3745 (of kortweg MACS J0717) - een van de meest massieve melkwegclusters die bekend is - en ontdekte dat het filament zich uitstrekt tot ongeveer 60 miljoen lichtjaar van het cluster.
Het team zei dat hun waarnemingen de eerste directe blik werpen op de vorm van de steiger die het universum zijn structuur geeft. Ze gebruikten Hubble, NAOJ's Subaru-telescoop en de Canada-Frankrijk-Hawaï-telescoop, met spectroscopische gegevens over de sterrenstelsels daarbinnen van het WM Keck-observatorium en het Gemini-observatorium. Door deze waarnemingen samen te analyseren, krijgt u een volledig beeld van de vorm van de gloeidraad terwijl deze zich bijna langs onze gezichtslijn uitstrekt van de cluster van de melkwegstelsels.
Het team heeft hun 'recept' voor het bestuderen van het enorme maar diffuse filament gedetailleerd beschreven. .
Eerste ingrediënt: een veelbelovend doelwit. Theorieën over kosmische evolutie suggereren dat clusters van sterrenstelsels ontstaan waar filamenten van het kosmische web samenkomen, waarbij de filamenten langzaam materie naar de clusters leiden. "Uit ons eerdere werk aan MACS J0717 wisten we dat dit cluster actief groeit en dus een belangrijk doelwit voor een gedetailleerde studie van het kosmische web", legt coauteur Harald Ebeling (University of Hawaii in Manoa, VS) uit, leidde het team dat MACS J0717 bijna tien jaar geleden ontdekte.
Tweede ingrediënt: geavanceerde gravitationele lenstechnieken. De beroemde algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein zegt dat het lichtpad gebogen is wanneer het door of in de buurt van objecten met een grote massa gaat. Filamenten van het kosmische web bestaan grotendeels uit donkere materie [2] die niet direct kan worden gezien, maar hun massa is voldoende om het licht te buigen en de afbeeldingen van sterrenstelsels op de achtergrond te vervormen, in een proces dat zwaartekrachtlensing wordt genoemd. Het team heeft nieuwe tools ontwikkeld om de beeldvervormingen om te zetten in een massakaart.
Derde ingrediënt: afbeeldingen met hoge resolutie. Gravitationele lensing is een subtiel fenomeen en het bestuderen ervan vereist gedetailleerde beelden. Hubble-waarnemingen lieten het team de precieze vervorming in de vorm van talrijke lensstelsels bestuderen. Dit onthult op zijn beurt waar het verborgen filament van donkere materie zich bevindt. "De uitdaging", legt co-auteur Jean-Paul Kneib (LAM, Frankrijk) uit, "was om een model met de vorm van het cluster te vinden dat bij alle lenskenmerken paste die we waarnamen."
Tenslotte: Metingen van afstanden en bewegingen. Hubble's waarnemingen van het cluster geven de beste tweedimensionale kaart tot nu toe van een filament, maar om de vorm ervan in 3D te zien, waren aanvullende waarnemingen nodig. Dankzij kleurenbeelden [3] en snelheden van sterrenstelsels gemeten met spectrometers [4], gebruikmakend van gegevens van de telescopen Subaru, CFHT, WM Keck en Gemini North (allemaal op Mauna Kea, Hawaï), kon het team duizenden sterrenstelsels lokaliseren in de gloeidraad en om de bewegingen van velen van hen te detecteren.
Een model dat positie- en snelheidsinformatie voor al deze sterrenstelsels combineerde, werd geconstrueerd en dit onthulde vervolgens de 3D-vorm en oriëntatie van de draadstructuur. Hierdoor kon het team de ware eigenschappen van deze ongrijpbare draadstructuur meten zonder de onzekerheden en vooroordelen die voortkomen uit het projecteren van de structuur op twee dimensies, zoals gebruikelijk is bij dergelijke analyses.
De verkregen resultaten verleggen de grenzen van voorspellingen gedaan door theoretisch werk en numerieke simulaties van het kosmische web. Met een lengte van minstens 60 miljoen lichtjaar is het MACS J0717-filament extreem, zelfs op astronomische schaal. En als kan worden aangenomen dat de massa-inhoud zoals gemeten door het team representatief is voor filamenten in de buurt van gigantische clusters, dan kunnen deze diffuse verbindingen tussen de knooppunten van het kosmische web nog meer massa bevatten (in de vorm van donkere materie) dan theoretici voorspelden.
Meer info in deze ESA HubbleCast-video:
Bron: ESA Hubble
