“Welke wetenschappelijke vragen willen we rond 2050 oplossen?” Ruimtevaartorganisatie ESA stelde die vraag deze zomer aan Europese wetenschappers. Omdat het ontwikkelen en bouwen van ruimtetelescopen voor de sterrenkunde steeds langer duurt – van idee tot lancering typisch 20 tot 30 jaar – wil ESA graag weten waar sterrenkundigen rond het jaar 2050 naar willen kijken. De afgelopen maanden werkte ik daarom mee aan een idee voor een telescoop die over 30 jaar het ongrijpbare kosmisch web moet gaan bestuderen.
In het kosmisch web, ook wel de grote-schaalstructuur van het heelal genoemd, houdt vermoedelijk een derde tot de helft van de normale materie van het heelal zich schuil. Het zichtbare heelal bevat honderden miljarden melkwegstelsels die elk bestaan uit honderden miljarden sterren, zoals onze zon. Sinds de oerknal zijn er veel kleine melkwegstelsels ontstaan die langzaam zijn samengesmolten tot grotere stelsels en clusters van melkwegstelsels.
IJl en heet gas
Hoewel we in zichtbaar licht vooral de sterren in melkwegstelsels zien, zijn sterren maar een klein deel van de totale massa. Melkwegstelsels bestaan voor een groot deel uit mysterieuze donkere materie en worden omringd door een enorme wolk ijl en heet gas. Dat hete gas is vooral goed te zien in röntgenstraling. Omdat die straling niet door de atmosfeer van de aarde heen komt, moeten we met telescopen naar de ruimte om het hete gas te bestuderen. De grote vraag is welke rol het hete gas heeft gehad tijdens de ontwikkeling van melkwegstelsels. Waarom is er zoveel meer heet gas dan sterren?
De grootste hete gaswolken hangen rond clusters van melkwegstelsels. Met de huidige röntgentelescopen kunnen we die clusters zelfs op miljarden lichtjaren afstand zien. De kern van de wolk schijnt helder in röntgenlicht, maar in de buitengebieden wordt het licht steeds zwakker. Al bij de rand van het cluster wordt het licht zo zwak dat het heel lastig te meten is.
Computersimulatie van het kosmisch web in röntgenstraling. De gele vlekken zijn de clusters omringd door ijler en koeler gas in het kosmisch web. (IllustrisTNG simulation, zie Simionescu et al., 2019, ArXiv: 1908.01778).
Kosmisch web
Computersimulaties van het heelal laten zien dat de gaswolken niet bij de buitengrens van het cluster ophouden, integendeel. Het lijkt erop dat clusters knooppunten zijn in een kosmisch web van heet gas. De clusters zijn onderling verbonden door lange armen met hier en daar een melkwegstelsel of een groepje melkwegstelsels. Ons melkwegstelsel is samen met de Andromedanevel onderdeel van een arm die verbonden is met het Virgocluster. De lengte van de armen zijn gigantisch. De Andromedanevel staat 2,5 miljoen lichtjaar bij ons vandaan en het Virgocluster 54 miljoen lichtjaar. De rest van het web staat op honderden miljoenen tot miljarden lichtjaren afstand. Helaas is de straling van het gas in die armen zo zwak dat we die met huidige telescopen niet kunnen zien.
Natuurlijk hopen we dat we met de nieuwe Athena-telescoop al meer kunnen leren over dit kosmisch web. ESA zal die nieuwe telescoop rond het jaar 2030 lanceren. Het gevoeligste instrument aan boord van Athena heeft alleen een groot nadeel: het beeldveld. Het gebied aan de hemel dat je in één keer kunt fotograferen, is maar klein. Als we clusters met het blote oog konden zien, dan zijn die zo groot als de volle maan. Het beeldveld van Athena is ongeveer 30 keer kleiner. Dat is genoeg om details in het cluster te zien, maar om het kosmisch web zichtbaar te maken, moet je een groter gebied tegelijk kunnen bekijken en met een lange belichtingstijd. Je moet dan een telescoop bouwen met een groter blikveld, een groot spiegeloppervlak en een sensor met meer dan een miljoen pixels. Dat is een enorme uitdaging, zeker als je bedenkt dat SRON nu voor de Athena-telescoop röntgensensoren ontwikkelt met 3600 pixels.
Meer zien
Ik heb samen met een internationale groep collega’s het idee voor deze ruimtetelescoop opgeschreven in een artikel (pdf). Dat was nog niet makkelijk, want we weten niet hoe de technologie en wetenschap zich in de komende 20 jaar ontwikkelt. Bovendien verwachten we in de komende jaren veel nieuwe ontdekkingen. Zo lanceert Japan begin 2022 ook de XRISM-satelliet die clusters van melkwegstelsels gaat onderzoeken. Samen met de Athena-telescoop gaan beide missies onze blik op het hete heelal met een factor 10 tot 100 verbeteren ten opzichte van bestaande telescopen.
Ik heb voor ons artikel uitgerekend welke gaswolken deze nieuwe telescoop wel en niet zal kunnen zien. Het is wel duidelijk dat je met een grotere spiegel en een groter beeldveld veel meer gaswolken kunt zien dan met Athena.
Links in kleur wat Athena na 2030 van het kosmisch web gaat zien en rechts de voorgestelde missie in 2050 (Bron: Simionescu et al., 2019, ArXiv: 1908.01778).
Vorming van melkwegstelsels
Maar wat kunnen we daarvan leren? De hete gaswolken spelen waarschijnlijk een grote rol tijdens de vorming van melkwegstelsels. Heet gas kan geen sterren vormen, maar koud gas wel. Om een ster te vormen, moet gas zich tot een kleine dichte wolk kunnen samenklonteren. Dat lukt alleen als de temperatuur laag genoeg is. Zonder verhitting zou het gas in het kosmisch web langzaam afkoelen van bijna een miljoen graden naar temperaturen onder nul en dan sterren vormen.
Door de eigenschappen van het gas te meten, hopen we beter te begrijpen waardoor het gas wordt verhit, waardoor melkwegstelsels relatief grote hete gaswolken hebben en relatief minder sterren. Hoe hard gas afkoelt heeft ook te maken met hoeveel zwaardere elementen, zoals zuurstof en ijzer, er in het gas zitten. Die elementen zenden op hele specifieke kleuren röntgenstraling uit, waardoor het gas extra hard afkoelt. Door al die processen te zien, hopen we beter te gaan begrijpen hoe melkwegstelsels gevormd worden en waarom er weinig sterren in ontstaan.
Ons artikel is in augustus opgestuurd naar ESA. Eind oktober wordt een selectie van de ingestuurde ideeën gepresenteerd op de Voyage 2050 workshop in Madrid. We hopen natuurlijk dat ESA dit idee mooi genoeg vindt om het op te nemen in hun plannen voor het ruimteonderzoek voor 2050 en daarna. Wie weet gaan we dit over 30 jaar echt doen en kunnen de kinderen van nu het kosmisch web verder ontdekken.
Hoofdfoto: Het zogenoemde Kwintet van Stephan, in het sterrenbeeld Pegasus. Ontdekt door de Fransman Édouard Stephan in 1877. Foto gemaakt door de Hubble-telescoop.
