In de jaren zestig begonnen astronomen op te merken dat het heelal een massa leek te missen. Tussen voortdurende observaties van de kosmos en de theorie van algemene relativiteitstheorie bepaalden ze dat een groot deel van de massa in het universum onzichtbaar moest zijn. Maar zelfs na het opnemen van deze "donkere materie", konden astronomen nog steeds slechts goed zijn voor ongeveer tweederde van alle zichtbare (ook bekend als baryonische) materie.
Dit leidde tot wat astrofysici het 'ontbrekende baryonprobleem' noemden. Maar eindelijk hebben wetenschappers ontdekt wat misschien wel de laatste ontbrekende normale materie in het heelal is. Volgens een recent onderzoek door een team van internationale wetenschappers bestaat deze ontbrekende materie uit filamenten van sterk geïoniseerd zuurstofgas dat zich in de ruimte tussen sterrenstelsels bevindt.
De studie, getiteld "Observations of the missing baryons in the warm-hot intergalactic medium", verscheen onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift. Natuur. De studie werd geleid door Fabrizio Nicastro, een onderzoeker van het Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF) in Rome, en omvatte leden van het SRON Nederlands Instituut voor Ruimteonderzoek, het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA), het Instituto de Astronomia Universidad Nacional Autonoma de Mexico, het Instituto Nacional de Astrofísica, Óptica y Electrónica, het Instituto de Astrofísica de La Plata (IALP-UNLP) en meerdere universiteiten.
Omwille van hun studie raadpleegde het team gegevens van een reeks instrumenten om de ruimte nabij een quasar genaamd 1ES 1553 te onderzoeken. Quasars zijn extreem massieve sterrenstelsels met actieve galactische kernen (AGN) die enorme hoeveelheden energie uitstralen. Deze energie is het resultaat van het feit dat gas en stof worden geaccumuleerd op superzware zwarte gaten (SMBH's) in het midden van hun sterrenstelsels, wat resulteert in de zwarte gaten die straling uitstralen en stralen van oververhitte deeltjes.
In het verleden geloofden onderzoekers dat van de normale materie in het heelal ongeveer 10% vastzat in sterrenstelsels, terwijl 60% bestond in diffuse gaswolken die de uitgestrekte ruimtes tussen sterrenstelsels vullen. Dit liet echter nog steeds 30% van de normale materie achterwege. Deze studie, die het hoogtepunt was van een zoektocht van 20 jaar, probeerde te bepalen of de laatste baryons ook in de intergalactische ruimte konden worden gevonden.
Deze theorie werd voorgesteld door Charles Danforth, een onderzoeksmedewerker aan CU Boulder en een co-auteur van deze studie, in een paper uit 2012 dat verscheen in The Astrophysical Journal - getiteld "The Baryon Census in a Multiphase Intergalactic Medium: 30% of the Baryons May Still Missing Missing". Daarin suggereerde Danforth dat de ontbrekende baryons waarschijnlijk zouden worden gevonden in het warmgloeiende intergalactische medium (WHIM), een webachtig patroon in de ruimte tussen sterrenstelsels.
Zoals Michael Shull - hoogleraar Astrofysische en Planetaire Wetenschappen aan de Universiteit van Colorado Boulder en een van de co-auteurs van de studie - aangaf, leek dit wilde terrein de perfecte plek om te kijken. 'Dit is waar de natuur erg pervers is geworden ," hij zei. "Dit intergalactische medium bevat gasdraden bij temperaturen van enkele duizenden graden tot enkele miljoenen graden."
Om deze theorie te testen, gebruikte het team gegevens van de Cosmic Origins Spectrograph (COS) op de Hubble-ruimtetelescoop om de WHIM bij de quasar 1ES 1553 te onderzoeken. Vervolgens gebruikten ze de ESA-röntgenmultigroepmissie van de European Space Agency (ESA) ( XMM-Newton) om te kijken naar tekenen van de baryonen, die verschenen in de vorm van sterk geïoniseerde stralen zuurstofgas die werden verwarmd tot temperaturen van ongeveer 1 miljoen ° C (1,8 miljoen ° F).
Ten eerste gebruikten de onderzoekers de COS op de Hubble-ruimtetelescoop om een idee te krijgen van waar ze de ontbrekende baryons in de WHIM zouden kunnen vinden. Vervolgens kwamen ze bij die baryons met behulp van de XMM-Newton-satelliet. Bij de dichtheden die ze vastlegden, concludeerde het team dat dit supergeïoniseerde zuurstofgas, wanneer geëxtrapoleerd naar het hele universum, de laatste 30% van de gewone materie zou kunnen uitmaken.
Zoals Prof. Shull aangaf, lossen deze resultaten niet alleen het mysterie van de ontbrekende baryons op, maar kunnen ze ook licht werpen op hoe het universum begon. "Dit is een van de belangrijkste pijlers van het testen van de oerknaltheorie: het uitzoeken van de baryon-telling van waterstof en helium en al het andere in het periodiek systeem," zei hij.
Vooruitkijkend gaf Shull aan dat de onderzoekers hun bevindingen hopen te bevestigen door helderdere quasars te bestuderen. Shull en Danforth zullen ook onderzoeken hoe het zuurstofgas in deze gebieden van de intergalactische ruimte terecht is gekomen, hoewel ze vermoeden dat het daar in de loop van miljarden jaren is geblazen door sterrenstelsels en quasars. In de tussentijd blijft het echter een open vraag hoe de "ontbrekende materie" deel werd van de WHIM. Zoals Danforth vroeg:
'Hoe komt het van de sterren en de sterrenstelsels helemaal hier in de intergalactische ruimte ?. Er is een soort ecologie gaande tussen de twee regio's en de details daarvan zijn slecht begrepen. "
Ervan uitgaande dat deze resultaten correct zijn, kunnen wetenschappers nu doorgaan met modellen van kosmologie waar rekening wordt gehouden met alle noodzakelijke "normale materie", wat ons een stap dichter bij het begrijpen zal brengen van hoe het universum is gevormd en geëvolueerd. Als we nu die ongrijpbare donkere materie en donkere energie zouden kunnen vinden, zouden we een compleet beeld van het heelal hebben! Ach ja, één mysterie tegelijk ...
