Er is steeds meer bewijs dat het heelal in structuren verbonden is

Wetenschappers denken dat sterrenstelsels die gigantisch ver van elkaar vandaan liggen tegelijkertijd met elkaar bewegen, tegen de voorspellingen van kosmologische modellen in.

door Becky Ferreira
13 november 2019, 10:15am

Beeld: Andriy Onufriyenko/Getty Image

De Melkweg, het sterrenstelsel waarin we leven, is een van de honderden miljarden sterrenstelsels in het universum. Ze komen in alle vormen en maten: er zijn spiralen, ringen en oeroude sterrenstelsels die al langer schijnen dan vrijwel alle andere dingen in het heelal.

Maar ondanks al hun verschillen en de verbijsterende afstanden die hen scheiden, hebben wetenschappers opgemerkt dat sommige sterrenstelsels tegelijkertijd bewegen – in vreemde en vaak onverklaarbare patronen. Het is alsof ze met elkaar verbonden zijn door een onmetelijke, ongeziene kracht.

Sterrenstelsels die op een paar miljoen jaar lichtjaar van elkaar liggen, kunnen elkaar op een voorspelbare manier met zwaartekracht beïnvloeden. Maar wetenschappers hebben nu mysterieuze patronen waargenomen tussen sterrenstelsels die zo ver uit elkaar liggen dat ze niet door elkaar beïnvloed zouden moeten worden.

De ontdekkingen wijzen op de raadselachtige invloed van de zogenaamde ‘grootschalige structuren’, die – zoals de naam al doet vermoeden – voor zover we weten de grootste objecten in het universum zijn. De structuren zijn gemaakt van waterstofgas en donkere materie. Het zijn filamenten, vellen en knopen die sterrenstelsels met elkaar verbinden in een enorm netwerk dat het kosmische web wordt genoemd. We weten dat deze structuren enorme implicaties hebben voor de evolutie en bewegingen van sterrenstelsels, maar we weten nauwelijks wat er precies achter zit.

Wetenschappers staan te popelen om achter dit soort nieuwe details te komen, omdat sommige van deze fenomenen de meest elementaire ideeën over het universum in twijfel trekken.

“Dat is precies de reden waarom iedereen altijd die grootschalige structuren bestudeert,” zegt Noam Libeskind, een kosmograaf aan het Leibniz Instituut voor Astrofysica (AIP) in Duitsland, over de telefoon. “Het is een manier om de wetten van de zwaartekracht en de aard van materie, donkere materie, donkere energie en het universum te onderzoeken en af te bakenen.”

Waarom bewegen verre sterrenstelsels tegelijkertijd?

Sterrenstelsels hebben de neiging om clusters te vormen, wegens de zwaartekracht. Die clusters horen op hun beurt weer bij grotere superclusters. Onze Melkweg maakt bijvoorbeeld deel uit van de Lokale Groep, die bestaat uit meer dan veertig sterrenstelsels. En de Lokale Groep is weer onderdeel van de Virgosupercluster, die meer dan duizend sterrenstelsels bevat.

Op dit soort ‘lokale’ schalen hebben de sterrenstelsels vaak invloed op elkaars draaiingen, vormen en hoeksnelheden. Soms eet een sterrenstelsel zelfs een ander op, wat bekendstaat als galactisch kannibalisme. Maar sommige sterrenstelsels hebben zelfs een dynamische relatie als ze op afstanden van elkaar liggen waarin die relatie niet meer te verklaren is door hun afzonderlijke zwaartekrachtvelden.

Uit een onderzoek dat in oktober in The Astrophysical Journal werd gepubliceerd, blijkt bijvoorbeeld dat honderden sterrenstelsels synchroon lopen met de bewegingen van sterrenstelsels die tientallen miljoenen lichtjaren verderop liggen.

“Deze ontdekking is behoorlijk nieuw en onverwacht,” zegt hoofdonderzoeker Joon Hyeop Lee, een astronoom van het Korea Astronomy and Space Science (KASI), in een e-mail. “Ik heb nog nooit eerder een rapport gezien van waarnemingen of voorspellingen van numerieke simulaties, dat precies over dit fenomeen gaat.”

Lee en zijn collega’s bestudeerden 445 sterrenstelsels binnen 400 miljoen lichtjaar van de aarde. Ze zagen dat veel van de sterrenstelsels die naar de aarde toe draaiden, buren hadden die ook naar de aarde draaiden. En de sterrenstelsels die in de andere richting draaiden, van de aarde weg, hadden ook buren die van de aarde wegdraaiden.

“De waargenomen coherentie moet wel een soort relatie hebben met de grootschalige structuren, omdat het onmogelijk is dat sterrenstelsels die door zes megaparsecs [ongeveer 20 miljoen lichtjaar] van elkaar gescheiden zijn direct op elkaar inwerken,” zegt Lee.

Lee en zijn collega’s suggereren dat de gesynchroniseerde sterrenstelsels ingebed kunnen zijn in dezelfde grootschalige structuur, die heel langzaam tegen de klok in roteert. Die onderliggende dynamiek zou de samenhang tussen de rotaties van de bestudeerde sterrenstelsels en de bewegingen van hun buren kunnen verklaren. Maar Lee waarschuwt wel dat er veel meer onderzoek nodig is om de bevindingen en conclusies van zijn team te bevestigen.

Hoewel deze gesynchroniseerde sterrenstelsels nieuw zijn, hebben wetenschappers al eens eerder vreemde samenhangen tussen sterrenstelsels waargenomen, die verbijsterend genoeg op nog grotere afstanden van elkaar lagen. In 2014 observeerde een team vreemde uitlijningen van superzware zware gaten in de kernen van quasars. Dat zijn oeroude ultra-lichtgevende sterrenstelsels die zich over miljarden lichtjaren uitstrekken.

De onderzoekers werden geleid door Damien Hutsemékers, een astronoom aan de Universiteit van Luik. Het team kon deze griezelige synchroniciteit waarnemen door naar het universum te kijken toen het nog maar een paar miljard jaar oud was, met de Very Large Telescope (VLT) in Chili. Ze registreerden de polarisatie van het licht van bijna honderd quasars. Daarna gebruikte het team die informatie om de geometrie en uitlijning van de zwarte gaten in de kernen van de quasars te reconstrueren. De resultaten toonden aan dat de rotatieassen van 19 quasars parallel aan elkaar waren, ondanks het feit dat ze enkele miljarden lichtjaren van elkaar vandaan lagen.

De ontdekking werd gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Astronomy & Astrophysics. De bevindingen suggereren dat grootschalige structuren de dynamiek beïnvloeden tussen sterrenstelsels die gigantisch ver van elkaar vandaan liggen.

“Het is bekend dat rotatieassen in het heelal op een lijn liggen met grootschalige structuren als kosmische filamenten, maar dat gebeurt op een veel kleinere schaal,” zegt Hutsemékers in een e-mail. Hij voegt eraan toe dat er in theoretische onderzoeken een voorlopige uitleg van dat proces is gegeven.

“Maar er bestaat op dit moment geen verklaring waarom de assen van de quasars op een lijn liggen met de as van de grote groep waarin ze zijn opgenomen,” zegt hij.

De waarheid achter de gesynchroniseerde sterrenstelsels verandert mogelijk alles

Het geheim van de gesynchroniseerde sterrenstelsels kan een bedreiging vormen voor het kosmologische principe, een van de basisaannames over het universum. Het principe houdt in dat het universum op extreem grote schaal in wezen uniform en homogeen is. Maar “het bestaan van correlaties in quasar-assen op zo’n extreme schaal zou een ernstige onregelmatigheid voor het kosmologische principe zijn,” zeggen Hutsemékers en zijn collega’s in hun artikel.

Hutsemékers zegt wel dat er meer van deze structuren moeten worden gevonden en bestudeerd om te bewijzen dat het een ernstige fout in het kosmologische principe is. “Er zijn andere vergelijkbare structuren nodig om te bevestigen dat het echt een onregelmatigheid is,” zegt hij.

Op dit moment begrijpen we de dynamiek achter de quasarposities nog niet goed, omdat er weinig observatietechnieken zijn om tot verfijndere conclusies te komen. “Wat grootschalige uitlijningen betreft, wachten we in wezen op meer data,” zegt Hutsemékers. “Deze onderzoeken hebben te maken met statistiek, en een stap vooruit vereist een enorme hoeveelheid polarisatiegegevens, die niet makkelijk te verzamelen zijn met de huidige instrumenten.”

Toekomstige radiotelescopen, zoals de Square Kilometre Array, zijn misschien wel in staat om de mysterieuze uitlijningen beter te onderzoeken.

“Een van de fantastische dingen aan wetenschap is dat je een model kunt bouwen met duizenden gegevens, maar als één ding niet klopt, alles begint te barsten. Je moet die barst meteen dichten, anders zal-ie het hele model ten val brengen.”

Quasar-uitlijningen zijn misschien niet de enige onderdelen van het probleem dat vreemd gesynchroniseerde sterrenstelsels betekenen voor de gevestigde modellen van het universum. Een van de meest omstreden discussies in de huidige kosmologie gaat over de onverwachte manier waarop dwergstelsels netjes op een lijn lijken te gaan liggen met grotere gaststelsels, zoals de Melkweg.

Deze satellietstelsels zijn op dit moment een doorn in het oog van het ΛCDM-model, een theoretische tijdlijn van het universum sinds de oerknal. De simulaties van het universum die met het ΛCDM-model worden gemaakt, voorspellen dat kleine satellietstelsels in een zwerm willekeurige banen rondom grotere gaststelsels zullen eindigen.

Maar in de afgelopen tien jaar is uit nieuwe waarnemingen gebleken dat een groot deel van de satellietstelsels rondom de Melkweg netjes synchroon in één baanvlak zijn beland. In de eerste instantie vroegen wetenschappers zich af of dat betekende dat er iets vreemds aan de hand was met ons eigen sterrenstelsel, maar toen werd hetzelfde fenomeen waargenomen rondom Andromeda.

In 2015 gingen de alarmbellen pas echt rinkelen. Astronomen zagen hetzelfde fenomeen een derde keer, rondom Centaurus A, een elliptisch sterrenstelsel op ongeveer tien miljoen lichtjaar van de Melkweg.

De ontdekking “suggereert dat er iets mis is met de standaard kosmologische simulaties,” volgens een onderzoek dat in 2018 in Science werd gepubliceerd, onder leiding van Oliver Müller, een astronoom aan de Universiteit van Straatsburg.

“Op dit moment hebben we het waargenomen bij de drie dichtstbijzijnde sterrenstelsels,” zegt Müller over de telefoon. “Natuurlijk kun je altijd zeggen dat het er maar drie zijn – en dus geen statistiek. Maar we nemen het we elke waar als we goede gegevens hebben, dus het zou maar zo universeel kunnen zijn.”

In een onderzoek uit 2015 suggereerden Libeskind en zijn collega’s dat de filamenten in het kosmische web deze georganiseerde sterrenstelsels misschien wel begeleiden – wat in het ΛCDM-model mogelijk zou zijn. Er is op dit moment dus nog geen sluitend antwoord op het dilemma.

“Een van de fantastische dingen aan wetenschap is dat je een model kunt bouwen met duizenden gegevens, maar als één ding niet klopt, alles begint te barsten,” zegt Libeskind. “Je moet die barst meteen dichten, anders zal-ie het hele model ten val brengen.”

De toekomst van het sterrenstelselonderzoek

De zinnenprikkelende onzekerheid motiveert astronomen als Marcel Pawlowski, een Schwarzschild Fellow aan het Leibniz Instituut voor Astrofysica en mede-auteur van het onderzoek dat in 2018 in Science werd gepubliceerd, om zich slechts op dit probleem te richten. Pawlowski kijkt erg uit naar de gegevens van de volgende generatie observatoria, die dertig meter hoog worden en mogelijk kunnen aantonen of andere grote sterrenstelsels ook omringd worden door georganiseerde satellietstelsels.

“We moeten nu onze zoektocht uitbreiden naar satellietstelsels die verder weg liggen,” zegt Pawlowski over de telefoon. “We moeten ze vinden en hun snelheden meten.”

“Het onderzoeksgebied heeft enorme stappen gemaakt vanwege deze discussie,” voegt Pawlowski eraan toe. “Het was echt prachtig om te zien dat het observationele bewijs steeds solider werd.”

Of het nou gaat om de vreemde bewegingen van dwergstelsels in onze eigen galactische buurt of om de griezelige uitlijning van sterrenstelsels die miljoenen of miljarden lichtjaren van elkaar verwijderd liggen – het is duidelijk dat de beweging van sterrenstelsels essentieel is om het raadsel van de grootschalige structuren in het universum op te lossen.

De sterrenstelsels waar we voldoende over weten om er statistisch gezien iets over te zeggen, worden daadwerkelijk beïnvloed door veel complexere krachten die we nog niet helemaal begrijpen, waaronder het kosmische web waarmee het universum geweven is.

“Wat ik echt leuk vind aan dit soort dingen is dat we nog steeds in de pioniersfase zitten,” zegt Müller. “Het is superspannend.”

Tagged:
Universum
melkweg