Telescopennetwerk maakt superscherpe radiofoto van een zwaartekrachtlens

Met behulp van een wereldwijd netwerk van radiotelescopen heeft een internationaal team van sterrenkundigen onder Nederlandse leiding een van de scherpste radiofoto’s ooit van een zwaartekrachtlens gemaakt. Deze opname bevestigt dat donkere materie ongelijk is verdeeld in een groep sterrenstelsels. De onderzoekers publiceren hun bevindingen vandaag in het vakblad Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

Sterrenkundigen willen weten hoeveel donkere materie aanwezig is in sterrenstelsels, en hoe het is verdeeld. Deze kennis is namelijk nodig om te weten hoe het heelal in de loop van de tijd is gegroeid en veranderd. Huidige theorieën voorspellen dat er vier keer zoveel donkere materie in het heelal is als het normale materiaal dat we kunnen zien. Een reden hiervoor is dat veel sterrenstelsels heel snel roteren, en zonder de extra massa van donkere materie zouden ze uit elkaar vliegen.

“Deze missende donkere materie is misschien verstopt in dwergsterrenstelsels”, zegt eerste auteur Cristiana Spingola van het Kapteyn Astronomical Institute, Rijksuniversiteit Groningen. “Volgens berekeningen zouden duizenden dwergsterrenstelsels rondom een sterrenstelsel zoals onze Melkweg moeten cirkelen. Maar tot op heden zijn er slechts ongeveer honderd gevonden. Donkere materie is namelijk onzichtbaar, wat kan verklaren dat de dwergsterrenstelsels moeilijk te vinden zijn.”

Een manier om donkere materie zichtbaar te maken, is om het effect te bestuderen dat haar zwaartekracht heeft op andere objecten. Dit wordt een zwaartekrachtlens genoemd: de zwaartekracht van donkere materie buigt het licht af van een object dat zich achter de donkere materie bevindt. In dit onderzoek hebben de sterrenkundigen donkere materie bestudeerd in een groep sterrenstelsels op 3,9 miljard lichtjaren van de aarde. Deze sterrenstelsels werkten als een vergrootglas voor een radiobron verder weg: een zwart gat dat een straal van materiaal uitspuwt op 11,7 miljard lichtjaar van de aarde.

De foto van de resulterende radioboog is bijzonder, omdat er nog nooit zo’n scherp beeld met deze techniek is gemaakt. Normaal gesproken zijn zulke foto’s onscherp, met maar een klein gedeelte van de boog zichtbaar. De sterrenkundigen hebben deze opname gemaakt door de waarnemingen van 24 radiotelescopen van over de hele wereld samen te voegen, waaronder die van de Westerbork Synthese Radio Telescoop van het Nederlands instituut voor radioastronomie, ASTRON. De gegevens werden samengevoegd door de supercomputer van JIVE in Dwingeloo.

Uit de nieuwe foto konden de onderzoekers de afstand, helderheid en grootte van het zwarte gat bepalen. Daarnaast konden ze dankzij het lens-effect zien hoe de donkere materie verdeeld is in de groep sterrenstelsels: namelijk klonterig en ongelijk. “Dat kan betekenen dat er zich onzichtbare dwergsterrenstelsels in dat gebied bevinden, of een andere onbekende structuur van donkere materie, maar we weten het niet zeker”, zegt Spingola.

Om de eigenschappen van donkere materie beter te begrijpen, past het team nu geavanceerde numerieke algoritmen toe om de aard van de klonterige donkere materie te kwantificeren. Maar ze zijn ook op zoek naar meer radiobogen zoals deze. "Er zijn slechts een beperkt aantal zwaartekrachtlenzen geschikt voor dit onderzoek”, zegt projectleider John McKean van ASTRON en het Kapteyn Institute, Rijksuniversiteit Groningen. “Maar met behulp van het wereldwijde netwerk van radiotelescopen verwachten we in de toekomst meer van dit soort gigantische radiobogen te vinden.”

Referentie: C. Spingola, J. P. McKean, M. W. Auger, C. D. Fassnacht, L. V. E. Koopmans, D. J. Lagattuta, S. Vegetti: SHARP – V. Modelling gravitationally-lensed radio arcs imaged with global VLBI observations DOI: 10.1093/mnras/sty1326