Voorstelling van New Horizons in de ruimte met in het midden de zon en een band van zodiakaal licht.
Joe Olmsted/STScI

New Horizons beantwoordt vraag hoe donker ruimte is (en hoeveel niet-bevestigde sterrenstelsels er zijn)

Hoe donker is de hemel en wat zegt dat ons over het aantal sterrenstelsels in het zichtbare universum? Astronomen kunnen het totale aantal sterrenstelsels schatten aan de hand van het aantal sterrenstelsels in een 'diep field' opname van een klein deel van de hemel door de Hubble. Een aantal sterrenstelsels zijn echter te zwak  om ze direct te kunnen waarnemen. Die kunnen we dus niet tellen, maar ze verspreiden wel een zwakke gloed. Om die gloed te kunnen meten, moeten satellieten ontsnappen aan het binnenste zonnestelsel met zijn lichtvervuiling. Een nieuwe studie heeft nu waarnemingen van de New Horizons missie naar Pluto en de Kuipergordel gebruikt om de helderheid van die kosmische optische achtergrond te bepalen. De resultaten geven een bovenlimiet voor het aantal zwakke, niet bevestigde sterrenstelsels en dat zijn er minder dan gedacht werd.  

Hoe donker wordt het in de ruimte? Als je de heldere lichten van de stad ontvlucht en naar boven kijkt, lijkt de hemel tussen de sterren wel erg donker. Boven de atmosfeer van de aarde wordt de ruimte zelfs nog donkerder, tot een inktachtig pikdonker. Maar zelfs daar is de ruimte niet volledig donker: het universum is immers doordrongen met een heel zwak schijnsel van ontelbare verafgelegen sterren en sterrenstelsels. 

Nieuwe metingen van die zwakke achtergrondgloed tonen aan dat er minder niet waargenomen sterrenstelsels zijn dan uit een aantal theoretische studies naar voren was gekomen. Het zijn er 'slechts' honderden miljarden in plaats van 2 biljoen zoals eerder gedacht werd. 

"Dat is een belangrijk getal om te weten - hoe veel sterrenstelsels zijn er?" zei Marc Postman van, het Space Telescope Science Institute in Baltimore, een van de hoofdauteurs van de studie. "We zien eenvoudigweg niet het licht van 2 biljoen sterrenstelsels."

De eerdere schatting van 2 biljoen was geëxtrapoleerd van 'very deep' waarnemingen van de hemel door de Hubble ruimtetelescoop van de NASA. Astronomen tellen dan alles wat zichtbaar is in zo'n 'deep field' van de Hubble - een opname van een klein deel van de hemel - en vermenigvuldigen dat dan om de totale oppervlakte van de hemel te bereiken, en zo het totale aantal zichtbare sterrenstelsels in te schatten. 

Vervolgens vertrouwt men op wiskundige modellen om te schatten hoeveel sterrenstelsels er te zwak en klein waren om door de Hubble te worden waargenomen. Het team kwam tot de conclusie dat de Hubble niet in staat was om 90 procent van de sterrenstelsels in het universum waar te nemen in zichtbaar licht en zo kwam men tot het aantal van 2 biljoen niet direct waargenomen sterrenstelsels. 

De nieuwe bevindingen, op basis van metingen van het New Horizons ruimtetuig dat zeer ver van de aarde is gereisd, komen tot een veel lager aantal. "Neem al de sterrenstelsels die de Hubble kan zien, verdubbel dat aantal en dat is wat we zien - maar niets meer", zei Tod Lauer van het NOIRLab van de National Science Foundation, een andere hoofdauteur van de studie. 

De resultaten van de studie zijn vandaag voorgesteld op een bijeenkomst van de American Astronomical Society.  

Deze foto toont een fenomeen dat zodiakaal licht genoemd wordt. Van links onderaan strekt zich een gloeiende vlek uit naar rechts, in de richting van Jupiter, het heldere object links van het midden. Net boven Jupiter bevindt zich M44 (de Praesepe Cluster).  Zodiakaal licht wordt veroorzaakt door zonlicht dat weerkaatst op kleine stofdeeltjes in het binnenste zonnestelsel. Pogingen om te meten hoe donker de ruimte is met telescopen als de Hubble worden gedwarsboomd door deze alomtegenwoordige gloed. Daarom hebben astronomen vertrouwd op de verafgelegen New Horizons om de hemel te kunnen oberveren zonder het zodiakaal licht. Dit zeer brede panorama  bestaat uit verschillende opnames die gemaakt werden in oktober 2014 in het Canyon de Chelly National Monument in Arizona. Het zodiakaal licht is links te zien, het noordelijk deel van de Melkweg staat rechts. Rechts bovenaan staat de Orion-constellatie. Onder Orion aan de rechterkant staat een object dat even helder is als Jupiter aan de linkerkant en dat is Sirius.. Aan de horizon links verraadt een gele gloed de ligging van de stad Chinle.
Z. Levay

Ontsnappen aan zodiakaal licht

De kosmische optische achtergrond die het team wilde meten is het equivalent in zichtbaar licht van de beter bekende kosmische microgolf achtergrond - de kosmische achtergrondstraling. Dat is de zwakke nagloed van de big bang zelf, nog voor er sterren waren en die is nu waarneembaar als radiogolven. 

"Terwijl de kosmische achtergrondstraling ons iets vertelt over de eerste 450.000 jaar na de big bang, vertelt de kosmische optische achtergrond ons iets over het totale aantal sterren die ooit gevormd zijn sinds die tijd", zo zei Postman. "Het legt een beperking op aan het totale aantal sterrenstelsels die gevormd zijn, en waar ze zich in de tijd zouden kunnen bevinden."

Hoewel de Hubble een erg krachtig instrument is, kon het team de ruimtetelescoop niet gebruiken om deze waarnemingen te verrichten. De Hubble zweeft wel door de ruimte, maar hij zit in een baan om de aarde en heeft last van lichtvervuiling. Het binnenste zonnestelsel - het gebied dat de vier terrestrische planeten, Mercurius, Venus, de aarde en Mars, en de planetoïdengordel omvat - zit immers vol minuscule stofdeeltjes van uiteengevallen asteroïden en kometen. Het zonlicht weerkaatst op die deeltjes en dat creëert een gloed die het zodiakaal licht genoemd wordt en die zelfs vanop de grond waargenomen kan worden. 

Om te ontsnappen aan het zodiakaal licht, moest het team een observatorium gebruiken dat zich buiten het binnenste zonnestelsel bevond. Gelukkig staat het ruimtetuig New Horizons, dat van erg dichtbij opnames gemaakt heeft van Pluto en van het object uit de Kuipergordel Arrokoth, ver genoeg om die metingen te kunnen verrichten. Op de afstand waar New Horizons zich bevindt - meer dan 6 miljard kilometer van de aarde op het ogenblik van de metingen - is de hemel in de buurt 10 keer donkerder dan de donkerste hemel die de Hubble kan waarnemen. 

"Dit soort van metingen is buitengewoon moeilijk. Een heleboel mensen hebben al een lange tijd geprobeerd dit te doen", zei Lauer. "New Horizons heeft ons een geschikt uitkijkpunt geboden om de kosmische optische achtergrond te meten op een betere manier dan iemand het ooit eerder heeft kunnen doen." 

De positie van New Horizons - MU69 is Arrokoth - in vergelijking met een aantal oudere ruimtetuigen en de banen van de buitenplaneten en Pluto en de Kuipergordel.
NASA/JHUAPL/SwRI/Magda Saina

Weerkaatsing van licht in een ijskast meer dan een kilometer ver

Het team analyseerde bestaande beelden uit de archieven van New Horizons. Om de zwakke achtergrondgloed te vinden, moesten de onderzoekers correcties doorvoeren voor een aantal factoren. 

Zo trokken ze bijvoorbeeld het licht af van de sterrenstelsels waarvan men aanneemt dat ze bestaan maar die te zwak zijn om geïdentificeerd te kunnen worden. De meest uitdagende correctie was het verwijderen van het licht van sterren in onze Melkweg dat gereflecteerd werd door interstellair stof in de camera. 

Het signaal dat overbleef na die correcties was extreem zwak maar nog steeds meetbaar. Postman vergeleek het met iemand die in een afgelegen streek woont ver weg van de lichten van de stad, en die 's nachts in zijn bed ligt met de gordijnen open. Als een gebuur meer dan een kilometer verder dan zijn ijskast zou openen op zoek naar een nachtelijk hapje en het licht van de ijskast weerkaatste op de muren van de slaapkamer, zou dat even helder zijn als het achtergrondlicht dat New Horizons waargenomen heeft. 

Blijft de vraag wat de oorzaak kan zijn van die resterende gloed, aangezien de schatting voor het licht van de niet bevestigde sterrenstelsels er al afgetrokken is. 

Het zou kunnen dat er een overvloed aan dwergsterrenstelsels is in het relatief nabijgelegen universum die net voorbij het punt liggen waar ze waarneembaar zouden zijn. Of de diffuse halo's - verstrooide lichtkransen -van sterren die sterrenstelsels omringen zouden helderder kunnen zijn dan verwacht werd. Of er zou een populatie kunnen zijn van solitaire, intergalactische sterren verspreid over het universum. 

Of misschien het meest intrigerend, er zouden veel meer zwakke verafgelegen sterrenstelsels kunnen zijn dan de theorieën suggereren. Dat zou betekenen dat de gelijkmatige verdeling van de sterrenstelsels van verschillende groottes die we tot nu toe gemeten hebben, ineens sterk zou toenemen voorbij de zwakste systemen die we nu kunnen waarnemen. 

De James Webb ruimtetelescoop die de NASA dit jaar hoopt te lanceren, kan mogelijk helpen om die vraag te beantwoorden. Als zwakke, individuele sterrenstelsels inderdaad de oorzaak zijn, dan zouden ultra-deep field waarnemingen van de nieuwe telescoop die moeten kunnen ontdekken.

De studie over de kosmische optische achtergrond is aanvaard voor publicatie in het Astrophysical Journal en is nu al te raadplegen op arXiv.org. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van het Space Telescope Science Institute. 

Een video van de NASA met HD-beelden die in 2020 vrijgegeven zijn door de teams van de Hubble ruimtetelescoop. 

Voorstelling van New Horizons die Pluto en de grootste maan van Pluto, Charon, benadert.
NASA

Meest gelezen