We krijgen steeds meer grip op de meest ongrijpbare deeltjes in het heelal. Kosmologen hebben voor het eerst indirect waargenomen hoe neutrino’s de structuur van sterrenstelsels hebben beïnvloed. Een bijzondere meting, want deze neutrino’s zijn slechts luttele seconden na de oerknal ontstaan.
Vlak na de oerknal was het heelal een kolkende zee van samengepakte en voortdurend botsende deeltjes. Naarmate het universum groeide, wisten steeds meer deeltjes uit dit compacte plasma te ontsnappen.
Tussen de eerste ontsnappende deeltjes bevonden zich neutrino’s. Die vormden toen samen de zogeheten cosmic neutrino background. Deze achtergrondneutrino’s zijn nu overal in het heelal, maar vanwege hun extreem lage energie zijn ze onmogelijk waar te nemen. Naast donkere materie en donkere energie zijn neutrino’s dus een derde ‘donker’ onderdeel van het universum.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Nu hebben kosmologen nieuw indirect bewijs gevonden voor het bestaan van deze neutrino’s. Ze danken hun vondst aan een gebeurtenis die in de eerste honderdduizenden jaren na de oerknal plaatsvond, toen het heelal klotste van de materiegolven.
Geknapte ballon
Volgens het standaardmodel van de kosmologie zorgden willekeurige quantumfluctuaties er zo’n 30.000 jaar na de oerknal voor dat sommige gebieden meer donkere materie bevatten dan andere. Door hun zwaartekracht trokken die compacte donkere-materiehoopjes gewone materie naar zich toe, dat vervolgens weer terugkaatste doordat fotonen in het samengeperste plasma de materiedeeltjes wegduwden.
Daardoor ging elk donkere-materiehoopje dunne schillen van compacte gewone materie wegblazen, een beetje zoals een geknapte ballon geluidsgolven uitstoot. Zo’n 380.000 jaar na de oerknal liepen deze golven vast. Het heelal was toen namelijk zoveel afgekoeld dat elektronen en protonen overal, ook binnen die materieschillen, waterstofatomen gingen vormen. Daardoor stokte de foton-elektron-wisselwerking die de golven had opgewekt.
Neutrinoschillen
In dezelfde periode begonnen ongebonden fotonen het heelal te doorkruisen. Samen vormden die de kosmische achtergrondstraling (cosmic microwave background, CMB). Deze elektromagnetische straling kunnen we vandaag de dag nog steeds overal waarnemen.
De ultracompacte donkere-materiegebieden hebben volgens het standaardmodel niet alleen schillen van gewone materie, maar ook schillen van neutrino’s weggeblazen. Omdat neutrino’s minder zwaar zijn dan andere materiedeeltjes, bewegen ze sneller. Daardoor waren de neutrinoschillen groter dan de schillen van gewone materie.
De gravitationele invloed van de neutrinoschillen bracht een subtiele verandering teweeg in de grootte en vorm van de gewone-materieschillen. Dat veranderde op zijn beurt de temperatuurpatronen van de CMB-fotonen in de betreffende gebieden. In 2015 ontdekten kosmologen deze afwijkende patronen in de CMB.
1,2 miljoen sterrenstelsels
Nu heeft kosmoloog Daniel Baumann van de Universiteit van Amsterdam nog meer bewijs gevonden voor de kosmische achtergrondneutrino’s. Met een internationaal team keek hij naar de manier waarop sterrenstelsels in clusters zijn samengebundeld.
Toen de golven 380.000 jaar na de oerknal stagneerden, bleven de schillen met gewone materie op bepaalde plekken hangen. Deze gebieden hadden daardoor een hogere dichtheid dan andere gebieden, zodat er uiteindelijk meer sterrenstelsels gingen vormen.
Om de subtiele invloed van neutrino’s op deze schillen waar te nemen, bestudeerden de kosmologen de gegevens van een onderzoek naar zo’n 1,2 miljoen sterrenstelsels, waarvan de verste op zo’n 6 miljard lichtjaar van de aarde staan. Dit onderzoek was verricht met de Sloan Digital Sky Survey-III.
Geslaagde test
Het standaardmodel van de kosmologie voorspelt dat op grote schaal bovengemiddeld veel sterrenstelsels op zo’n 500 miljoen lichtjaar afstand van elkaar staan. Die stelselkoppels zijn voortgekomen uit overlappende schillen van gewone materie.
Eerder onderzoek wees al uit dat er inderdaad opvallend veel van zulke stelselparen te vinden zijn. Baumanns team heeft nu aangetoond dat de huidige verdeling van sterrenstelsels ook de subtiele invloed van neutrino’s uit het jonge heelal prijsgeeft.
De schillen van gewone materie werden enigszins uitgerekt en verstoord door de neutrino’s. Dat minieme effect is nu meetbaar doordat de schillen zijn meegegroeid met het uitdijende heelal. De vorm en grootte van de schillen, vastgesteld op basis van de structuur van de vele sterrenstelsels die daaruit zijn voortgekomen, komt overeen met de theoretische voorspellingen over de invloed van neutrinoschillen in het jonge heelal.
Astrofysicus David Spergel van de Princeton University in de VS is onder de indruk. ‘Aangezien we de eigenschappen afleiden van een onzichtbare component van het heelal – neutrino’s die in de eerste seconden na de oerknal zijn gemaakt – is het geruststellend om daar op meerdere manieren bewijs voor te zien’, zegt hij. ‘Wederom een geslaagde test voor het standaardmodel van de kosmologie.’
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder:
- Hubble-meting uitdijing heelal wijst misschien op nieuwe natuurkunde
- Verdraaide zwaartekrachtsgolven kunnen twee grote materieraadsels oplossen
- Ontbrekende helft materie in heelal gevonden
- Jagen op spookachtige neutrino’s onder het zee-oppervlak
- Nobelprijs natuurkunde naar gedaanteverandering neutrino’s