Space Research Organization Netherlands (SRON)

20 november 2002

XMM-Newton ontrafelt de gloed van kosmisch schuim

Zoals met veel verschijnselen in de ruimte, zijn er nog altijd veel een raadsel. Maar sinds kort is één van de raadsels opgelost: Wat de missende donkere materie in de buitenlagen van clusters van sterrenstelsels is. Jelle Kaastra van het Nationaal Instituut voor Ruimteonderzoek SRON en Jukka Nevalainen van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics publiceren binnenkort twee artikelen over het bestaan van 'warm' gas in deze buitenlagen. Beide onderzoekers hebben gebruik gemaakt van data van de Europese röntgensatelliet XMM-Newton, waaraan ook SRON een belangrijke bijdrage heeft geleverd.

De grootste en zwaarste objecten in het heelal zijn clusters van sterrenstelsels. Deze clusters bestaan soms wel uit duizenden sterrenstelsels, welke weer uit vele miljarden sterren met bijbehorende planeten bestaan. Toch vormt de massa van al deze sterren en planeten in een cluster slechts een paar procent van de totale massa. De ruimte tussen de sterrenstelsels in een cluster is gevuld met heet gas dat temperaturen van wel tien tot honderd miljoen graden kan bereiken. Maar ook dit hete gas bevat slechts tien procent van de totale massa van het cluster. De meeste materie in een cluster is dus zoek. De aard van deze geheimzinnige donkere materie is tot nu toe nog steeds onbekend. Het is een van de grootste mysteries van de moderne sterrenkunde.

Een ander intrigerend probleem is het ontstaan van clusters. Gebieden in het jonge heelal die een wat hogere dichtheid hebben, trekken door hun zwaartekracht de overige materie naar zich toe. De gebieden met een lagere dichtheid worden zo leeggezogen en vormen grote 'gaten' waar nauwelijks materie te vinden is. Zo groeien er steeds dichtere 'muren' als afscheiding tussen de ijler wordende gaten. De structuur lijkt wel wat op een vat met schuim. Met name daar waar twee muren elkaar snijden is er een hoge dichtheid. Op die plaatsen ontstaan langgerekte structuren, filamenten. Op de knooppunten van zulke filamenten vindt men de clusters. Door hun grote massa zuigen de groeiende clusters de filamenten langzaam leeg. Er moet dus een grote gasvoorraad aanwezig zijn in de filamenten om de groei van clusters tot de waargenomen proporties te kunnen verklaren. Tot nu toe is een direct bewijs voor deze gastoevoer nog niet gevonden.

In 1995 hebben Richard Lieu en zijn collega's een zwakke maar zeer uitgebreide gloed van zachte röntgenstraling waargenomen bij verschillende clusters. Zij associeerden de straling met de missende donkere materie in de vorm van een 'warm' gas van een miljoen graden. "Deze ontdekking was cruciaal, omdat het liet zien dat het beeld dat we hebben van de vorming van clusters vrij goed is ", zegt Kaastra. "Maar ten tijde van deze ontdekking was er geen gedetailleerd spectrum van de straling beschikbaar om de relevantie voor cluster vorming waterdicht te kunnen bewijzen".

Door de nieuwe ontdekking van het team van Kaastra, die met behulp van de XMM-Newton satelliet is gedaan, is de situatie grondig veranderd. Het SRON team vond zuurstof emissie lijnen in het spectrum van de gloed in de buitengebieden van drie clusters. Dit zuurstof gaf het onomstotelijke bewijs dat de oorzaak van de gloed inderdaad een grote hoeveelheid warm gas is. Het type zuurstof dat men vond (zesvoudig geïoniseerd) is namelijk een gevoelige thermometer van dit gas. Koeler gas bevat geen zesvoudig geïoniseerd zuurstof en geeft dus geen emissie lijn. In heter gas (zoals in de kern van clusters) is al het zuurstof volledig geïoniseerd en is er dus ook geen lijnstraling van dit type zuurstof. De intensiteit van de straling van dit zuurstof leert ons bovendien hoeveel warm gas er aanwezig is. De metingen geven aan dat er inderdaad voldoende, voorheen onzichtbaar, gas is om de vorming van reusachtige structuren zoals clusters mogelijk te maken. Het kosmische schuim is dus zichtbaar geworden.

Een XMM-Newton röntgenfoto van het centrum van cluster Sérsic 159-03. In de buitengebieden van dit cluster is warm gas aangetoond. Hoe roder de kleur, hoe meer gas er aanwezig is.