De peuterjaren van het Kosmische Web

RUG-sterrenkundige Karina Caputi mag bijna 1800 uur gebruik maken van de Spitzer Space Telescope. Nog nooit kreeg een wetenschapper die buiten de VS werkt zoveel tijd voor een onderzoeksprogramma. Caputi gaat de ontwikkeling van sterrenstelsels bestuderen in de eerste één miljard jaar van de geschiedenis van het universum.

Wanneer je op een heldere nacht naar de hemel kijkt zie je sterren die in ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg, staan. Met een verrekijker of telescoop zijn ook vage nevels zichtbaar: andere sterrenstelsels, elk met tot zo’n honderd à tweehonderd miljard sterren. ‘Die sterrenstelsels liggen niet zomaar verspreid door het heelal’, legt Caputi uit. ‘Het lijkt erop dat ze clusteren in filamenten en knopen, waardoor ze een zogeheten grootschalige kosmische structuur vormen.’ Dit ‘kosmische web’ ontstaat door de invloed van de zwaartekracht. Gebieden in het heelal met sterkere gravitatiekrachten trekken meer massa aan, waardoor er filamenten ontstaan met daartussen relatief lege ruimte.

‘Ik bestudeer hoe sterrenstelsels zijn geëvolueerd tijdens de eerste helft van het bestaan van het universum, wat de massa van die stelsels is en hoe de verdeling van stelsels met een verschillende massa is.’ Er zijn kosmologische modellen ontwikkeld die de evolutie vanaf het ontstaan van het universum beschrijven. ‘Die zijn best nauwkeurig, maar er bestaan nog steeds verschillen tussen de voorspellingen van de modellen en onze waarnemingen.’ Bovendien ontbreken bepaalde noodzakelijke waarnemingen helemaal.

‘We weten bijvoorbeeld helemaal niets over de grootschalige kosmische structuur in de vroegste fase van het heelal, de eerste miljard jaar na de Oerknal’, zegt Caputi. De modellen voorspellen dat het kosmische web zich in die periode al begint te vormen. Dat zou Caputi graag willen zien gebeuren.

Nu is tijdreizen onmogelijk, maar we kunnen wel terugkijken naar het verleden. Alles wat je daarvoor nodig hebt is een flinke telescoop die je een hele tijd kunt gebruiken. Aan die twee voorwaarden voldoet het nieuwe onderzoeksprogramma van Caputi op de Spitzer Space Telescope, dat afgelopen december is goedgekeurd. Spitzer is het iets minder bekende familielid van de Hubble Space Telescope, en verzamelt licht in het infrarode deel van het spectrum, een belangrijke golflengtegebied dat Hubble niet kan zien.

Spitzer kan licht opvangen van objecten die zeer ver weg staan. Dit licht heeft lang, heel lang door de ruimte gereisd, miljarden jaren zelfs. Aangezien het universum uitdijt komt er nog steeds licht aan bij de aarde dat is uitgezonden toen de eerste sterrenstelsels ontstonden. Caputi zal de Spitzer telescoop gebruiken om dit licht te bestuderen en uit te zoeken of er al sporen van het kosmische web aanwezig zijn.

‘Wat we moeten doen is sterrenstelsels in een flink groot stuk van het vroege heelal observeren. Daarom hebben we veel waarneemtijd nodig.’ Om het zeer zwakke licht van verafgelegen sterrenstelsels op te vangen is een lange ‘sluitertijd’ nodig, net als wanneer je een foto maakt in een zwakverlichte ruimte. En omdat iedere ‘belichting’ maar een heel klein stukje van de hemel vastlegt moet Caputi ook nog eens een heleboel afzonderlijke opnamen maken om de grootschalige structuren te zien die het kosmische web vormen.

De concurrentie om waarneemtijd op de Spitzer telescoop is moordend: in de laatste toekenningsronde was de hoeveelheid beschikbare tijd vijf keer overvraagd.’ Waarom kreeg Caputi dan zo veel uren? ‘Allereerst, ik werk al meer dan tien jaar met gegevens van de Spitzer telescoop. Daarnaast heb ik al een hele reeks artikelen over de evolutie van sterrenstelsels gepubliceerd.’ Bovendien wist Caputi voor haar project een ‘dream team’ van onderzoekers samen te stellen. ‘Daar zitten bijvoorbeeld mensen in die de camera van de Spitzer telescoop hebben ontwikkeld. Die kennen het systeem door en door, wat enorm helpt bij de analyse van de gegevens.’

En er is nog een reden waarom het project nu is toegekend. ‘We hebben naast de gegevens van Spitzer ook extra waarnemingen nodig van andere golflengten, verzameld met andere telescopen. Die zijn pas kort geleden beschikbaar gekomen.’

De eerste waarnemingen in het programma van Caputi vinden in maart plaats. ‘Maar dat is pas het begin. Het duurt ongeveer een jaar voordat we iets kunnen zeggen over de data, en twee jaar totdat het hele waarneemprogramma is uitgevoerd. Het gebied dat de telescoop per keer kan bestrijken is beperkt en je kunt hem niet zomaar overal op richten. Je moet wachten totdat door de omloopbaan van de telescoop het gebied dat je wilt bestuderen binnen bereik komt.’ Spitzer volgt de aarde in een baan om de zon. ‘Het stukje hemel dat wij willen bekijken is twee keer per jaar binnen bereik.’

Maar de resultaten zullen al dat wachten meer dan waard zijn. ‘Zodra we de gegevens binnen hebben kunnen we kaarten maken. Dan kunnen we onze analyses uitvoeren en de peutertijd van het kosmische web bestuderen tijdens de eerste miljard jaren van het heelal.’ En daarna? De gegevens van Spitzer zullen nog geen informatie bevatten over de eerste honderden miljoenen jaren van het heelal, dus het is altijd interessant om nóg verder terug te kijken. ‘Maar daarvoor hebben we een nieuwe, grotere telescoop nodig. Dat is de James Webb Space Telescope, maar die wordt pas gelanceerd in 2018!’

Karina Caputi werkt aan het Kapteyn Instituut voor Sterrenkunde van de RUG. Meer over de bachelor of master sterrenkunde op de RUG-website.

Een artikel over het project van Caputi verscheen eerder deze maand in De Telegraaf.