Studie van het Kosmisch Schuim

De zichtbare materie in ons heelal vertoont een patroon: sterrenstelsels en gaswolken vormen een soort schuimbellen, vliesjes materie die lege plekken omsluiten. Maar naast die zichtbare materie is er nog veel meer onzichtbare ‘donkere materie’ en ‘donkere energie’. RUG promovendus Patrick Bos laat zien dat het mogelijk is ook de structuur en aard van deze onzichtbare bouwstenen te bestuderen.

Hoe onderzoek je lege plekken in iets wat je niet kunt zien? Dat is heel basaal het probleem dat Patrick Bos aanpakte, vertelt hoogleraar sterrenkunde Rien van de Weijgaert, zijn promotor. ‘We kunnen zien dat de zichtbare materie een soort kosmisch web vormt: knopen met een hoge dichtheid, verbonden met strengen en daartussen lege ruimte. Patrick zocht uit hoe we vanuit dit zichtbare web iets te weten kunnen komen over het hele heelal.’

Slechts ongeveer 4 procent van dat hele heelal bestaat uit zichtbare materie. De rest is volgens kosmologen te verdelen over donkere materie (een kwart) en donkere energie (de rest). En daar weten we maar bitter weinig over, wat best onbevredigend is.

Lege ruimtes

Voor zijn onderzoek richtte Bos zich allereerst op de lege ruimtes, de voids. Van de Weijgaert: ‘Er is veel belangstelling voor deze kosmische voids, omdat juist daar kleine afwijkingen van bijvoorbeeld zwaartekracht grote gevolgen kunnen hebben.’ En ook donkere energie, die verantwoordelijk wordt gehouden voor het versneld uitdijen van het heelal, heeft daar meer effect. ‘Donkere energie is een zeer zwakke kracht, dus hoe minder gewone materie, hoe groter het effect van die kracht.’ Een zacht briesje heeft immers meer effect op een veertje dan op een baksteen.

De vorm van de voids heeft zich ontwikkeld tijdens de evolutie van het universum, van de vorming van de eerste sterren tot nu. De eerste stap die Bos nam was een nauwkeurig onderzoek van de voids. ‘Waar trek je de grens van een leegte? Bovendien, net als in schuim heb je leegtes die zich binnen andere, grotere leegtes bevinden.’ De groep van Van de Weijgaert heeft een techniek ontwikkeld om de grenzen van de voids netjes en vooral objectief in kaart te brengen, de watershed void finder method, onder meer gebaseerd op een techniek uit de beeldverwerking.

Begincondities

Hierna volgde een tweede stap. Bos gebruikte hierbij informatie over de ruimtelijke verdeling van sterrensels en clusters van sterrenstelsels om nauwkeurig de aard van het kosmische web (of schuimbad) te bepalen. Op die manier kon hij iets zeggen over de begincondities die de onderzochte delen van het universum hebben gevormd. Dat is eenvoudig opgeschreven, maar het was een zeer complexe taak. ‘Hij heeft een ingenieus wiskundig statistisch formalisme ontwikkeld dat uit een beperkte hoeveelheid waargenomen posities van sterrenstelsels of clusters kan nagaan wat de begincondities geweest moeten zijn in het gebied waarin deze objecten zijn gelegen.’ Het onderzoek is dan ook een mooi voorbeeld van het onderzoeksthema ‘Data Science and Systems Complexity’ van de faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen van de RUG, benadrukt Van de Weijgaert.

Vervolgens deed Bos simulaties waarbij hij de modellen voedde met zijn begincondities en berekende hoe zij de ontwikkeling van het heelal lieten verlopen. Het resultaat is een voorspelling van de verdeling van zichtbare en onzichtbare materie in het huidige heelal. Door die te vergelijken met waarnemingen is het mogelijk de juistheid van de modellen te testen.

Verlinde

De simulaties van Bos laten zien dat zijn methode werkt. ‘Hij is bovendien de eerste die de invloed van verschillende voorgestelde vormen van donkere energie op de ontwikkeling van de voids in het kosmische web heeft doorgerekend.’ Bos iet zien hoe donkere energie de vorming van voids beïnvloedt. Daarbij gebruikte hij verschillende modellen die de aard daarvan beschrijven. Het is een eerste stap naar een beter begrip van donkere energie. Al is die donkere energie volgens UvA natuurkundige Erik Verlinde niet nodig. Zegt het werk van Bos iets over de theorie van Verlinde?

Van de Weijgaert denkt even na. ‘Zijn theorie bevat geen donkere energie of donkere materie, en dat is wel elegant. Want ondanks decennia onderzoek hebben we nog geen idee waar die uit bestaan.’ Aan de andere kant, Verlinde is niet de eerste die een alternatieve zwaartekrachtstheorie opstelt. ‘Tot nu presteren die alternatieven niet beter dan Einstein. Het beste model in alle vergelijkingen is doorgaans zijn relativiteitstheorie, met daarin de kosmische constante die de uitdijing bepaalt.’ Het is geen sinecure om de ideeën van Verlinde in het systeem van Bos te testen, maar het kan wel.

Data

Het werk van Bos is echter vooral belangrijk vanwege de stortvloed aan data die nieuwe telescopen zullen opleveren. ‘We hebben nu de materieverdeling in een beperkt deel van het universum vastgelegd, de komende decennia zullen we veel meer informatie krijgen over het huidige heelal en ook het vroege heelal.’ Hoe verder je wegkijkt in het universum, hoe verder je in de tijd terugkijkt: het licht van verre sterrenstelsels heeft er immers miljarden jaren over gedaan om ons te bereiken. Al die informatie is met de methode die Bos beschrijft in zijn proefschrift te gebruiken om de aard van donkere materie en donkere energie nauwkeurig te onderzoeken.

Patrick Bos promoveertdeop 5 december op het proefschrift Clusters, voids and reconstructions of the cosmic web.