Een van de meest prangende vragen in de kosmologie is: "Hoeveel materie is er in het universum?" Een internationaal team van wetenschappers is er nu voor de tweede keer in geslaagd de totale hoeveelheid materie te meten. Het team meldt in The Astrophysical Journal dat ze hebben vastgesteld dat materie 31 procent van de totale materie en energie in het universum uitmaakt, terwijl donkere energie de rest uitmaakt.
Eerste auteur Dr. Mohammed Abdullah, een onderzoeker aan het Egyptische Nationale Instituut voor Astronomie en Geofysica aan de Chiba Universiteit in Japan, legde uit: “Kosmologen geloven dat slechts ongeveer 20% van de totale materie bestaat uit conventionele materie of ‘baryon’ materie, waartoe ook sterren, sterrenstelsels, atomen en leven behoren.” Ongeveer 80% bestaat uit donkere materie, waarvan de mysterieuze eigenschappen nog niet worden begrepen, maar die mogelijk is samengesteld uit enkele nog niet ontdekte subatomaire deeltjes. (zie afbeelding). "
"Het team gebruikte een beproefde techniek om de totale hoeveelheid materie in het universum te bepalen door het waargenomen aantal en de massa van clusters van sterrenstelsels per volume-eenheid te vergelijken met voorspellingen uit numerieke simulaties", zegt co-auteur Gillian Wilson, voormalig afgestudeerd adviseur van Abdullah, hoogleraar natuurkunde en vice-kanselier voor onderzoek, innovatie en economische ontwikkeling aan UC Merced. ‘Het aantal sterrenhopen dat momenteel wordt waargenomen, de zogenaamde ‘clusterabundantie’, is zeer gevoelig voor kosmologische omstandigheden, vooral de hoeveelheid materie.’
Anatoly Klypin van de Universiteit van Virginia zei: ‘Hoe hoger het aandeel van de totale materie in het universum, hoe meer sterrenhopen er zullen worden gevormd. Maar het is moeilijk om de massa van een cluster van sterrenstelsels nauwkeurig te meten, omdat de meeste materie donkere materie is, die we niet rechtstreeks met telescopen kunnen zien.’
Om dit probleem te overwinnen moest het team een indirecte tracker van de massa van clusters van sterrenstelsels gebruiken. Ze zijn gebaseerd op het feit dat massievere sterrenhopen meer sterrenstelsels bevatten dan minder massieve sterrenhopen (massarijkdomsrelatie: MRR). Omdat sterrenstelsels uit lichtgevende sterren bestaan, kan het aantal sterrenstelsels in elke cluster worden gebruikt om indirect de totale massa ervan te bepalen. Door het aantal sterrenstelsels in elke cluster in het Sloan Digital Sky Survey-monster te meten, kon het team de totale massa van elke cluster schatten. Vervolgens vergeleken ze het waargenomen aantal en de massa van clusters van sterrenstelsels per volume-eenheid met die voorspeld door numerieke simulaties.
De beste overeenkomst tussen de waarnemingsresultaten en de simulatieresultaten is dat het universum voor 31% uit de totale materie bestaat. Deze waarde komt goed overeen met de kosmische microgolfachtergrondwaarnemingen (CMB) van de Planck-satelliet. Het is vermeldenswaard dat CMB een volledig onafhankelijke technologie is.
Validatie en technologie
Tomoaki Ishiyama van de Universiteit van Chiba zei: "We hebben voor het eerst met succes de dichtheid van materie gemeten met behulp van MRR, wat in goede overeenstemming is met de resultaten verkregen door het Planck-team met behulp van de CMB-methode. Dit werk toont verder aan dat clusterovervloed een competitieve techniek is voor het beperken van kosmologische parameters en complementair is aan niet-clustertechnieken zoals CMB-anisotropie, baryon-akoestische oscillaties, type Ia-supernovae of zwaartekrachtlenzen."
Het team is van mening dat hun resultaten de eerste zijn waarbij met succes spectroscopie is toegepast – een techniek die straling in afzonderlijke banden of kleuren van het spectrum verdeelt – om nauwkeurig de afstand tot elke cluster en tot de werkelijke leden van sterrenstelsels te bepalen die door de zwaartekracht aan de cluster zijn gebonden, in plaats van achtergrond- of voorgrondafleiders langs de zichtlijn. Eerdere studies waarin is geprobeerd MRR-technieken te gebruiken, hebben gebruik gemaakt van veel grovere en minder nauwkeurige beeldvormingstechnieken, zoals het gebruik van foto's van de hemel genomen op bepaalde golflengten, om de afstand van elke cluster tot de daadwerkelijke leden ervan te bepalen.
Conclusies en toekomstige toepassingen
Het artikel, gepubliceerd in het Astrophysical Journal op 13 september, toont niet alleen aan dat MRR-technologie een krachtig hulpmiddel is voor het bepalen van kosmologische parameters, maar legt ook uit hoe deze kan worden toegepast op nieuwe datasets verkregen uit grote, wide-field en deep-field imaging en spectroscopische onderzoeken naar sterrenstelsels, zoals die uitgevoerd door de Subaru Telescope, de Dark Energy Survey, de Dark Energy Spectrograph, de Euclid Telescope, de eROSITA Telescope en de James Webb Space Telescope.