Het heelal bestuderen om de wereld te begrijpen

Door de kosmos te begrijpen, kunnen we ook de fundamenten van onze wereld beter doorgronden. Dat is de gedachte achter het onderzoeksthema Fundamentals of the Universe, waarin drie instituten van de Rijksuniversiteit Groningen op unieke manier samenwerken. ‘Mensen bouwen dure deeltjesversnellers omdat ze willen weten hoe de kleinste deeltjes werken onder hoge energie-omstandigheden,’ vertelt kosmoloog Daan Meerburg, ‘maar dat kun je ook in de kosmos zien.’ Onlangs verdedigden vier promovendi hun proefschrift over dit thema; een vijfde volgt binnenkort.

FSE Science Newsroom | Tekst Charlotte Vlek

Bij de oerknal kwam ontzettend veel energie vrij. Ook bij supernova’s of rond zwarte gaten kunnen hoge energie-omstandigheden optreden. De effecten van die hoge-energie-situaties vliegen ons dagelijks om de oren, in de vorm van kosmische straling, gammastraling en neutrino’s. ‘Die deeltjes zijn hetzelfde als in een deeltjesversneller,’ beschrijft Manuela Vecchi, astrofysicus. ‘Maar de vragen die we erover stellen zijn anders.’ Zo gaat het in een deeltjesversneller vaak over de interactie van nauwkeurig gecontroleerde deeltjes, terwijl Vecchi wil weten waar die deeltjes vandaan komen, en waarom ze zo’n hoge snelheid hebben.   

De bouwsteentjes en de handleiding

Het uiteindelijke doel voor zowel Vecchi als Meerburg is te begrijpen waar het heelal uit opgebouwd is, en hoe het is geworden zoals het nu is. De bouwstenen en de handleiding, zogezegd. Vecchi houdt zich onder andere bezig met donkere materie. Ze licht toe: ‘We weten dat er ontzettend veel massa in het heelal aanwezig is, veel meer dan we kunnen zien.’ En dus moet er wel zogenaamde donkere materie zijn: iets wat we niet direct kunnen zien, maar wat wel effect uitoefent op zichtbare dingen.

Om de aanwezigheid van donkere materie directer aan te tonen kijkt Vecchi naar gammastraling, een vorm van straling met heel hoge energie. Die kan ontstaan zijn door interacties van donkere materie met zichzelf, al kunnen ook andere oorzaken zoals een supernova de oorzaak zijn. Onder Vecchi’s begeleiding werkte promovendus Jann Aschersleben met een algoritme dat gammastraling in telescoopbeelden kan detecteren, en de oorspronkelijke energie van de gammastraling kan reconstrueren. Het algoritme werd ontwikkeld door Michael Wilkinson van het Bernoulli instituut.

De volgende stap is een telescoop richten op Omega Centauri, een bolvormige sterrenhoop niet al te ver bij ons vandaan. Vecchi diende onlangs een observatievoorstel daarvoor in bij het H.E.S.S observatorium in Namibië. ‘In Omega Centauri is onlangs een middelzwaar zwart gat ontdekt. Zo’n zwart gat is een geschikte kandidaat voor ons omdat er vaak veel donkere materie te vinden is, en er weinig andere oorzaken zijn die gammastraling zouden kunnen produceren.’

Als je dan gammastraling vindt is de kans dus groot dat het van donkere materie afkomstig is. ‘Alleen al het vinden van gammastraling zou een mooi resultaat zijn. Maar als we dan ook nog kunnen aantonen dat er geen andere oorzaken van gammastraling, zoals supernova’s, in de buurt zijn voorgekomen, dat zou helemaal mooi zijn!’ aldus Vecchi.

Hoe klontjes sterren werden

Meerburg wil vooral weten hoe het heelal zo is geworden als het nu is. Kort na de oerknal zette het universum zich in korte tijd razendsnel uit, zo zegt de theorie van kosmische inflatie. Dat proces zet zich nu nog voort, maar in een veel langzamer tempo. In het vroege heelal was er nog geen licht, nauwelijks materie; er was alleen een soort mist van waterstof. Maar door kleine fluctuaties in die snelle uitdijing, konden er in die mist kleine ‘klontjes’ ontstaan, die door zwaartekracht steeds meer deeltjes naar zich toe trokken en tenslotte sterren en sterrenstelsels vormden.

‘Maar waarom zijn er op sommige plaatsen meer sterren en sterrenstelsels dan op andere?’ stelt Meerburg. Oftewel: met welke startcondities (veroorzaakt door die kleine fluctuaties) zijn de klontjes uiteindelijk uitgegroeid tot sterren op de plekken waar we die nu zien? Om die vraag te beantwoorden kijken kosmologen zoals Meerburg naar straling die afkomstig is van dat heel vroege heelal. Alleen is die straling zoals die ons nu bereikt, vervormd onder invloed van zwaartekracht.

Promovendus Thomas Flöss werkte onder begeleiding van Meerburg, Leon Koopmans en Diederik Roest aan simulaties die in kaart brengen hoe die straling uit het vroege heelal verstoord is, en wat we daar nu uit kunnen afleiden. Meerburg: ‘We begrijpen de werking van zwaartekracht heel goed, en het effect daarvan kunnen we nauwkeurig simuleren. Door aan de computer plaatjes te tonen van het heelal zoals het er nu uit ziet, en zoals het er vlak na de oerknal uitzag, konden we een computermodel trainen om de gemeten straling van het effect van zwaartekracht te ontdoen.’

Verrassend was de conclusie van Flöss dat de verstoring ook in dat hele vroege heelal al een belangrijke factor was, terwijl zwaartekracht daar nog relatief weinig heeft kunnen verstoren. Meerburg: ‘Veel mensen gaan ervanuit dat daar alles nog “netjes” is. Maar wij laten zien dat je dan een verkeerd beeld krijgt van dat vroege heelal.’