Een voorstelling van hoe een quasar, een ultrahelder supermassief zwart gat, er uit zou kunnen zien. ESO/L. Calçada

Laatste ontbrekende protonen en neutronen in het universum gevonden in de vorm van zuurstofgas van 1 miljoen graden

Een internationaal team van astrofysici zegt dat het de laatste ontbrekende gewone materie in het universum gevonden heeft. Als natuurkundigen vergeleken hoeveel materie er gecreëerd werd in de big bang, met hoeveel materie men nu in het universum kon waarnemen, bleken ze slechts twee derde van de gecreëerde materie te vinden. Het ontbrekende derde zweeft volgens het team rond tussen de sterrenstelsels in de vorm van filamenten zuurstofgas met een temperatuur van zowat 1 miljoen graden Celsius.  

Onderzoekers die de oude geschiedenis van het universum bestuderen, hebben berekend hoeveel gewone materie er gecreëerd werd in het universum bij de big bang, en astrofysici die het hedendaagse universum bestuderen, weten hoeveel materie we kunnen waarnemen met onze telescopen. 

En tot nu kwamen die twee getallen niet overeen. In het huidige universum vonden we slechts zo'n twee derde van de gecreëerde materie, iets meer dan 30 procent ontbrak. Dat wordt het "ontbrekende baryonen probleem" genoemd, aangezien de ontbrekende materie uit baryonen bestaat. Baryonen zijn een klasse van subatomaire deeltjes, waartoe protonen en neutronen behoren, en die de bouwstenen vormen van alle fysieke voorwerpen in het universum, van sterren tot de kernen van zwarte gaten. 

Dankzij een vernuftige observatietechniek met een quasar, een ultrahelder, supermassief zwart gat, heeft het team de ontbrekende baryonen nu gevonden, zo zegt het. Ze verstopten zich in filamenten, fijne, dunne wolken van zeer heet zuurstofgas in de intergalactische ruimte, de ruimte tussen de sterrenstelsels. Het gas is sterk geïoniseerd, wat betekent dat het voornamelijk uit ionen bestaat, dus dat de meeste elektronen ontbreken en dat het een sterke positieve lading heeft. 

Het signaal van de zuurstof was te sterk en consistent om te kunnen komen van willekeurige fluctuaties in het licht van de quasar, zo schreven de onderzoekers in hun studie. Ze sloten ook de mogelijkheid uit dat een zwak sterrenstelsel de "zuurstofschaduw" heeft kunnen veroorzaken.

Een beeld genomen door het Chandra röntgenobservatorium van quasar PKS 1127-145, een zeer lichtsterke bron van röntgenstralen en zichtbaar licht op zo'n 10 miljard lichtjaren van de aarde. Een enorme "jet" van röntgenstralen schiet tot minstens een miljoen lichtjaar ver van de quasar. NASA/CXC/A.Siemiginowska(CfA)/J.Bechtold(U.Arizona) - CHANDRA X-ray Observatory CXC Operated for NASA by SAO

WHIM

De resultaten van het team zijn het resultaat van een zoektocht van zo'n 20 jaar, zei Michael Schull in een mededeling op de website van de University of Colorado, Boulder. Shull maakt deel uit van het Department of Astrophysical and Planetary Sciences (APS) van de universiteit, en is een van de auteurs van de nieuwe studie.

In de jaren 90 kwamen astrofysici met een schatting van hoeveel waterstof- en heliumatomen er gecreëerd waren in de big bang. En de onderzoekers denken te weten waar het grootste deel van die gewone materie terecht is gekomen: zo'n 10 procent in de sterrenstelsels, en bijna 60 procent in diffuse wolken van gas die de enorme ruimten tussen de sterrenstelsels vullen. En dus ontbrak er nog iets meer dan 30 procent van de materie. 

En daarvoor kwamen Shull en zijn collega's naar voren met een theorie. In 2012 stelden Shull en Charles Danforth, een geassocieerd onderzoeker aan het APS van de CU Boulder, dat die baryonen waarschijnlijk vervat zaten in een webachtig patroon in de ruimte, dat het "warm-hot intergalactic medium" (WHIM) genoemd wordt. En dat is volgens Shull een "wild terrein".

"Dit is waar de natuur zeer pervers is geworden", zei Shull in de mededeling. "Dit intergalactische medium bevat filamenten van gas met temperaturen van enkele duizenden graden tot een paar miljoen graden."

De WHIM is moeilijk direct te observeren, en dus moesten de onderzoekers een slimme truc uithalen. Om naar de ontbrekende atomen te zoeken in dat "perverse territorium" van de WHIM, richtte het team een reeks van satellieten naar een quasar in het centrum van een sterrenstelsel, die 1ES 1553 genoemd wordt.  

Een computersimulatie van de verdeling van het "warm-hot intergalactic medium". (Bron illustratie: www.astro.princeton.edu/Wikimedia Commons)

Quasars en telescopen

De onderzoekers gebruikten eerst de Cosmic Origins Spectograph van de Hubble ruimtetelescoop om een idee te krijgen waar ze de ontbrekende baryonen zouden kunnen vinden in die mist. Vervolgens zoomden ze in op die baryonen met de X-ray Multi Mirror Mission (XMM-Newton) satelliet van de Europese ruimte-organisatie ESA. 

Door nauwgezet te observeren hoe de WHIM het licht dat van de quasar kwam en zijn weg vond naar de lenzen van de satellieten, verduisterde en veranderde, waren de onderzoekers in staat om uit te werken waaruit de WHIM bestond.

En dat bleek sterk geïoniseerde zuurstof van zo'n 1 miljoen graden Celsius te zijn, en dat in een voldoende hoge dichtheid om, als ze die extrapoleerden naar het hele universum, te komen tot de laatste ontbrekende 30 procent van gewone materie. 

"We hebben de ontbrekende baryonen gevonden", zei Shull. Volgens hem zijn de resultaten niet alleen belangrijk omdat ze het "ontbrekende baryonen probleem" oplossen, maar ook omdat ze fundamentele vragen over het begin van het universum beantwoorden. 

"Dit is een van de belangrijkste steunpilaren van het testen van de bigbangtheorie: de baryonentelling voor zuurstof en helium en al de rest in de periodieke tabel uitvoeren", zo zei hij in de mededeling. 

Een voorstelling van de XMM-Newton-satelliet van de ESA. (Illustratie: Spacecraft Icons/NASA)

Bevestiging en nieuwe vragen

Shull zei dat de onderzoekers hun bevindingen zullen moeten bevestigen door satellieten op meer heldere quasars te richten. Hij en medeauteur Danforth zullen ook onderzoeken hoe het zuurstofgas in deze uitgestrekte gebieden van de ruimte is terechtgekomen. Ze vermoeden dat het in de loop van miljarden jaren uit sterrenstelsels en quasars is geblazen, maar hoe is de vraag. 

"Hoe geraakt het van de sterren en de sterrenstelsels zo ver weg, helemaal in de intergalactische ruimte?", vroeg Danforth. "Er is een soort ecologie aan de gang tussen die twee streken, en van de details daarvan begrijpen we nog maar weinig."  

Overigens mogen de baryonen die vermist waren, en die nu gevonden zijn, niet verward worden met de donkere materie, die het grootste deel van de massa van het universum uitmaakt, en die de onderzoekers nog niet hebben gevonden. Gedacht wordt dat die donkere materie uit meer exotische deeltjes bestaat dan eenvoudige baryonen. 

De studie over het zuurstofgas van het team onder leiding van Fabrizio Nicastro van het Italiaanse Istituto Nazionale di Astrofisica (INAF)—Osservatorio Astronomico di Roma en het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, is verschenen in "Nature".