Oeroud magnetisme

Vlak na de oerknal zijn mogelijk magnetische velden ontstaan die tegenwoordig als een soort vage geesten door de ruimtetijd waren. Bestaan ze werkelijk, dan kunnen ze misschien verklaren waarom het heelal sneller uitdijt dan onze huidige formules voorspellen. De jacht is geopend, want astronomen denken dat ze het spoor van deze geesten inmiddels te pakken hebben.

De schaal is nauwelijks voorstelbaar. Maar als je ver genoeg uitzoomt, oogt de structuur van het heelal als een ‘kosmisch web’ waarin draadachtige slierten van gas enorme leegtes omhullen en een bonte variëteit aan sterrenstelsels met elkaar verbinden. Ze behoren tot de geheimzinnigste structuren in de kosmos, en onlangs is er iets verrassends in opgedoken.

Vorig jaar bevestigde een groep astronomen onder leiding van Tessa Vernstrom van de Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation in het Australische Perth de ontdekking van magnetische veldlijnen die zich over een lengte van zo’n 50 miljoen lichtjaar uitstrekken tussen clusters van sterrenstelsels.

Het was een van de eerste bewijzen voor het idee dat ook op dit soort gigantische schalen magnetisme bestaat. Maar bovenal opwindend is dat de omvang van deze ­velden erop lijkt te wijzen dat ze overblijfselen kunnen zijn van de geboorte van het heelal, oftewel van de oerknal.

Kosmologen hopen al een tijdje zulke oeroude magnetische velden te ontdekken, omdat ze geheimen bij zich zouden kunnen dragen over hoe alles ooit is ontstaan. Bovendien zouden ze het grootste probleem kunnen oplossen waar de moderne kosmologie op dit moment mee worstelt. Helaas is het identificeren van deze velden nogal problematisch. Want wanneer je diep een heelal in kijkt dat verzadigd is met magneetvelden, hoe kun je dan zeker weten dat je er één gevonden hebt die uit de tijd van de ­oerknal stamt?

Ook al zijn we er nog niet, ontdekkingen zoals die van Vernstrom bieden ons het nodige vertrouwen dat we inmiddels beschikken over de theoretische kennis en de observatiegereedschappen om een doorbraak te forceren. ‘Het net sluit zich’, zegt astrofysicus Franco Vazza van de ­Universiteit van Bologna in Italië.

Magnetars

Magnetisme is een bekende kracht. De magnetische velden die zich in de ruimte uitstrekken hebben dezelfde oorsprong als een veld dat geproduceerd wordt door een koelkastmagneet: de beweging en oriëntatie van elektrisch geladen deeltjes zoals elektronen. Magneetvelden zijn onzichtbaar, maar hun invloed reikt ver omdat magnetisme, naast de zwaartekracht, de enige fundamentele natuurkracht is die over lange afstanden kan worden gevoeld.

Vanwege dit alles is het raar dat magnetisme vaak door kosmologen over het hoofd wordt gezien. ‘Het komt voor dat gedurende een conferentie van een week niet één keer het woord ‘magnetisme’ valt’, zegt Bryan Gaensler, directeur van het Dunlap-instituut voor Astronomie & Astrofysica van de Universiteit van Toronto in Canada.

Magnetisme is geen grote kosmische onbekende, zoals zwarte gaten en donkere energie dat wel zijn. We weten behoorlijk goed wat het is, wat het doet en hoe het wordt opgewekt. Het magneetveld van de aarde beschermt ons tegen straling van de zon. Magnetisme van de zon veroorzaakt zonnevlammen en magnetische explosies die plasmawolken worden genoemd. En dan bestaat er ook nog een klasse van sterren die bekend staan als magnetars. Dit zijn waarschijnlijk de meest magnetische objecten in het heelal. Met de juiste instrumenten zijn de veldlijnen van deze bronnen waarneembaar – ze lijken op vinger­afdrukken, of de hoogtelijnen op topografische kaarten.

Magnetisme wordt door kosmologen vaak over het hoofd gezien

Stervorming

Wat we níet weten is hoe oud magneet­velden zijn, en in welke mate ze de evolutie van het heelal hebben beïnvloed, met name tijdens zijn vorming. ‘We beschikken over een ongelooflijk gedetailleerd beeld van wat er in het heelal allemaal heeft plaatsgevonden – van een fractie van een seconde na de oerknal tot aan het moment dat sterren en sterrenstelsels zich vormden’, zegt Gaensler. ‘Maar een paar dingen zijn nog altijd niet ingevuld, waarvan de rol van magneetvelden in dit alles wat mij betreft een van de grootste is.’

Verreweg de belangrijkste vraag luidt of magnetische velden van begin af aan in het vroege heelal aanwezig waren, of dat ze pas later ontstonden. Afhankelijk van wanneer en hoe ze gevormd werden, kunnen oeroude magneetvelden hebben bijgedragen aan inflatie – het ultrakorte moment van exponentiële uitdijing dat volgens de heersende theorie het jonge heelal op het pad bracht dat we tegenwoordig waarnemen. Magneetvelden zouden informatie over die gebeurtenis kunnen bevatten waarmee we onze beste kosmologische ideeën kunnen testen.

Magneetvelden zouden eveneens aanwijzingen kunnen bevatten over de manier waarop de eerste sterren gevormd werden. ‘Misschien hadden de eerste sterren geen magneetvelden nodig, maar misschien ook wel’, zegt Gaensler. ‘In het laatste geval moeten ze al bestaan hebben voordat de eerste sterren zich vormden. Je kunt deze vraag niet volledig beantwoorden zonder te weten wat magneetvelden destijds aan het doen waren.’

Hubble-spanning

Voor andere onderzoekers lonkt er een nog grotere prijs, namelijk de oplossing van de huidige, grote crisis in de kosmologie: het heelal dijt sneller uit dan onze beste theorieën over de evolutie van het heelal op dit moment voorschrijven. Des te meer metingen onderzoekers doen, des te meer blijkt deze observatie onontkoombaar. Een klein leger van kosmologen probeert de Hubble-­spanning – zoals de discrepantie tussen observatie en theorie is gaan heten – op te lossen, of probeert op zijn minst te begrijpen welke rol deze speelt. In 2020 zag een nieuwe hypothese het licht, namelijk dat oeroude magneetvelden de kwestie kunnen beslechten.

‘Op dit moment houden mensen die de evolutie van het heelal beschrijven gewoon geen rekening met magneetvelden’, zegt kosmoloog en hoogleraar natuurkunde Levon Pogosian van de Simon Fraser-universiteit in het Canadese Burnaby. Met natuurkundige Karsten Jedamzik van de Universiteit van Montpellier in Frankrijk ontdekte Pogosian echter dat wanneer je magneetvelden toevoegt aan simulaties van de ontwikkeling van het heelal volgens het standaardmodel van de kosmologie, de mate van uitdijing veel dichter ligt bij de waarde die we daadwerkelijk meten. ‘Dat is een in potentie erg opwindende ontwikkeling’, zegt Pogosian.

Astrofysicus Adam Riess van de Johns Hopkins-universiteit in Baltimore, in de Amerikaanse staat Maryland, die een gedeelde Nobelprijs voor de natuurkunde won voor zijn aandeel in de ontdekking dat het heelal steeds sneller uitdijt, is het daarmee eens. ‘De beste eigenschap van de theorie rond oeroude magneetvelden is dat ze geen nieuwe componenten vereist’, zegt hij. ‘De theorie maakt gebruik van iets dat op een bepaald niveau – een niveau waar we maar heel weinig van weten – moet bestaan en wil daar de Hubble-spanning mee oplossen.’

Kosmisch spinnenweb

Helaas weten we niet zeker of oeroude magneetvelden werkelijk bestaan. Mocht dat wél het geval zijn, dan doen ze zich naar verwachting voor als extreem zwakke, spookachtige restanten van een heelal dat er heel anders uitzag dan nu, die zich over onvoorstelbare afstanden uitstrekken. Ze zouden zelfs de gehele ruimte kunnen omhullen als een zwakke, universele ruis die het overblijfsel vormt van een onbekend verschijnsel dat zich kort na de oerknal voordeed. ‘Een fascinerende mogelijkheid is dat alle magneetvelden die hemellichamen op dit moment opwekken gevormd worden door de versterking van oude magneetvelden, die daarbij de rol hebben van een soort zaadje’, zegt astronoom Federica Govoni van het Nationaal Instituut voor Astrofysica in het Italiaanse Cagliari.

In dit scenario overstemmen nieuw gevormde magneetvelden van bijvoorbeeld zwarte gaten en andere astrofysische verschijnselen de oudere velden. Om hun bestaan vast te stellen, kunnen we daarom het beste zoeken in de dunbevolktste gebieden van het heelal: de leegtes tussen de vezels die samen een soort kosmisch spinnenweb van materie vormen.

Wanneer je in een van deze leegtes een veld aantreft, dan valt dat niet te verklaren op grond van astrofysische processen. In de leegtes is zo weinig materie, ­dat de enige verklaring voor een zwak magneetveld kan zijn dat het er al – vrijwel – sinds het begin der tijden is. ‘De ontdekking van magneetvelden in de leegtes tussen de kosmische spinnenwebvezels zou het sluitende bewijsstuk vormen’, zegt Govoni.

Blazars

In 2019 deden Govoni en haar collega’s precies zo’n vondst, maar dan ín een ­kos­mische vezel. De veldlijnen overbruggen clusters van sterrenstelsels over een af­stand van tien miljoen lichtjaar. De onderzoekers leidden de zwakke aanwezigheid van magnetisme af uit synchrotronstaling: radiogolven die ontstaan wanneer geladen deeltjes zich in spiraal­vormige patronen door een magneetveld bewegen.

Deze waarnemingen zijn van groot belang, omdat ze aantonen dat we zwakke velden op grote afstand kunnen opsporen. ‘Ze strekken zich uit over grote delen van de hemel, maar de straling die ze veroor­zaken is erg zwak’, zegt Vernstrom. ‘Alle ruis die erin zit – afkomstig van sterrenstelsels, de Melkweg en onze instrumenten – is een stuk sterker.’

Iets waarnemen in de leegtes is nog veel moeilijker dan iets waarnemen in de kosmische vezels. In de leegtes zijn namelijk simpelweg nauwelijks deeltjes aanwezig waarop de magneetvelden kunnen inwerken om zo hun aanwezigheid te verraden. Toch zouden de leegtes hun geheimen kunnen prijsgeven dankzij een paar exotische verschijnselen die gedurende hun epische reis door de ruimte deze lege gebieden doorkruisen.

Blazars bijvoorbeeld. Dit zijn sterren­stelsels die aangedreven worden door enorm grote zwarte gaten die fonteinen van geladen materie met bijna de snelheid van het licht uitspuwen. Ze behoren tot de helderste en meest energetische objecten aan de hemel. Al in 2010 viel het onder­zoekers op dat als een blazar niet over een kenmerkend omhulsel van laag­energetische gamma­straling beschikt, de materiefontein waarschijnlijk een extern magneetveld is gepasseerd.

Verstrooiing

Maar wat vooral een nieuwe stimulans heeft gegeven aan de jacht op oeroude magnetische velden, is de detectie van enkele tientallen fast radio bursts (FRB’s): kortstondige pulsen van radiogolven uit verre sterrenstelsels met de intensiteit van meerdere zonnen. Voor astronomen zijn deze signalen nog relatief nieuw, en over de oorsprong ervan bestaat nog geen overeenstemming. Maar in de afgelopen jaren zijn er steeds meer waargenomen. Daarbij is duidelijk geworden dat ze twee onderscheidende vingerafdrukken bevatten van de ruimte waar ze doorheen bewegen.

De gebruikelijkste manier om kosmische magneetvelden te bestuderen begint bij het meten van de polarisatie van de straling die erdoorheen reist. Deze gepolariseerde straling, waarvan de golven slechts in een enkel vlak vibreren, kan afkomstig zijn van een ster of sterrenstelsel, maar ook van een FRB. Wanneer een FRB op een magnetisch veld stuit, raken de gepolariseerde golven vervlochten, met als resultaat dat ze zich als spiralen door de ruimte voortplanten. Door de waarde van deze zogeheten Faraday-rotatie te meten, kun je de aanwezigheid en intensiteit van een magneetveld afleiden.

‘We kunnen tegenwoordig magnetische waarden meten die honderd keer zo zwak zijn als dat vroeger lukte’, zegt Gaensler. Maar zelfs nu zijn onze beste radiotelescopen nog maar net gevoelig genoeg om de zwakke signalen te meten die we mogen verwachten van oeroude magneetvelden. Het mooie van FRB’s is echter dat ze een voordeel bieden ten opzichte van de andere signalen, aldus Gaensler. ‘Er is nóg een eigenschap die we kunnen meten’, zegt hij.

‘In de toekomst zullen we kunnen beschikken over duizenden, tienduizenden of misschien zelfs honderdduizenden fast radio bursts’

Die eigenschap heet verstrooiing. Naarmate een FRB verder door de ruimte reist, verschuift de straling naar lagere frequenties vanwege botsingen met elektronen en andere deeltjes. Het resultaat is dat de straling steeds meer ‘uitgesmeerd’ raakt. Door deze verstrooiing te meten, kunnen astronomen dingen te weten komen over de dichtheid van het gebied waar de straling doorheen gereisd is. Dus als een bepaalde FRB een zwak gemagnetiseerde regio doorkruist heeft die een extreem lage materiedichtheid blijkt te hebben, dan betekent dit dat er sprake was van een leegte. En dat zou dan weer betekenen dat het een oeroud magneetveld betrof. ‘FRB’s zijn hier perfect voor’, zegt Vazza.

Magnetismekaart

Zelfs wanneer zou blijken dat oeroude magneetvelden overvloedig voorkomen, vereist hun zwakheid het toepassen van statistische methodes om ze te betrappen. Dat betekent dat je data nodig hebt – veel data.

Om een voorbeeld te geven: Vernstrom en haar collega’s namen magnetisme waar in een kosmische vezel door honderdduizenden opnames van sterrenstelsels over elkaar heen te leggen. Deze techniek, die bekend staat als image stacking, versterkt het signaal ten opzichte van de ruis, zodat er uit de compositie een zwak radiosignaal opduikt. ‘De ruis is zodanig sterk dat je jezelf echt moet overtuigen’, zegt Vernstrom. ‘Daarom proberen we het signaal met allerlei tests weg te drukken. Pas als dat niet lukt, mag je gaan denken dat je iets gevonden hebt’.

Vazza gelooft eveneens dat we een stortvloed aan gegevens nodig zullen hebben om via FRB’s oeroud magnetisme te ontdekken. Samen met collega’s heeft hij uitgerekend dat dit duizend FRB’s vereist waarbij Faraday-rotatie is waargenomen. Gelukkigerwijs is een nieuwe generatie van radiotelescopen hiertoe in staat. ‘Het Canadese instrument CHIME is ontworpen om aan de lopende band FRB’s te ontdekken’, zegt Pogosian. ‘In de toekomst zullen we kunnen beschikken over duizenden, tienduizenden of misschien zelfs honderdduizenden FRB’s.’

De Australische Square Kilometre Array Pathfinder-telescoop, een voorloper van de Square Kilometer Array (SKA) die zich in Australië en Zuid-Afrika bevindt, gaat eveneens duizenden FRB’s aanleveren. De SKA zelf is vanaf 2022 de grootste radiotelescoop ter wereld. Astronomen verwachten er zeer veel van. ‘Dit instrument zal ons in de richting van tien miljoen metingen voeren, en zal ook in staat zijn om op verdere afstanden en verder terug in de tijd te meten’, zegt Gaensler. De SKA zal uiteindelijk een driedimensionaal raster van Faraday-rotatie boven ons hoofd opleveren, oftewel een soort magnetismekaart van het heelal.

Nieuwe natuurkunde

Verwacht alleen geen eurekamoment. ‘Dit is een vakgebied waarin de antwoorden komen van een gestage opeenstapeling van statistiek’, zegt Gaensler. ‘Niet van de ontdekking van een specifiek ding.’ Maar dit eurekagebrek zal ruimschoots worden goedgemaakt door het grote belang van de gevonden antwoorden.

De kosmologie zoals we die kennen – van de vorming van de elementen tot de uitdijing van de ruimtetijd – zegt vooralsnog niets over het bestaan van magneetvelden, aldus Vazza. ‘Dus als we ontdekken dat magneetvelden inderdaad ontstonden in de vroegste perioden vlak na de oerknal, dan is dat een teken van nieuwe natuurkunde die we in onze kosmologische modellen zullen moeten opnemen.’

Wie weet blijkt zelfs dat magnetisme een cruciale rol vervulde in de vorming van sterren en sterrenstelsels, al zouden we er dan nog wel achter moeten komen waar dat magnetisme vandaan kwam. ‘De rol van magnetisme is al heel lang een grote onbekende’, zegt Vernstrom. ‘Maar ik denk dat het tij nu werkelijk aan het keren is. De deur naar dit deel van het heelal staat eindelijk op een kier.’

Dit artikel is verschenen in New Scientist 96. Deze editie vind je in ons digitaal archief.