Is het heelal op grote schaal toch niet uniform verdeeld?

is het heelal dan toch anisotropisch?
Deze kaart van de hemel toont vier van de honderden clusters van sterrenstelsels die werden gebruikt om te testen of het heelal op grote schaal overal hetzelfde is. Credit: NASA / CXC / University of Bonn / K. Migkas et al / M. Weiss.

Waarnemingen op röntgengolflengtes van honderden clusters van sterrenstelsels suggereren dat het heelal misschien anders is afhankelijk van waar astronomen kijken. Het onderzoek werd onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics.

Een van de pijlers van de kosmologie is dat het heelal isotropisch is. Dit betekent dat het in alle richtingen hetzelfde is. De nu uitgevoerde studie zorgt voor scheurtjes in die pijler.

Astronomen zijn het er over het algemeen mee eens dat het heelal sinds de Oerknal voortdurend groter wordt.

Een veel gebruikte vergelijking om de expansie van het heelal uit te leggen is die van rozijnenbrood dat wordt gebakken. Tijdens het bakken bewegen de rozijnen (de kosmische objecten zoals sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels) allemaal van elkaar af als het gehele brood (het heelal) uitdijt.

Met een gelijke verdeling zou de uitdijing in alle richtingen hetzelfde moeten zijn, zoals het ook in een isotropisch heelal zou zijn. De nieuwe resultaten passen echter niet in dat plaatje.

Gebaseerd op hun waarnemingen van clusters zijn er mogelijk verschillen gevonden in hoe snel het heelal uitdijt gekoppeld aan de richting waar je kijkt. Dit is tegenstrijdig met een van de meest algemene onderliggende aannames die in de kosmologie worden gebruikt.

Astronomen hebben voorheen al vele testen uitgevoerd om te achterhalen of het heelal in alle richtingen hetzelfde is. Deze testen bestonden uit optische waarnemingen van exploderende sterren en infrarode studie van sterrenstelsels.

Sommige van deze onderzoeken produceerden een mogelijk bewijs dat het heelal niet isotropisch (we noemen dit anisotropisch) is maar andere onderzoeken weer niet.

Het laatste onderzoek maakte gebruik van een nieuwe, krachtige en onafhankelijke techniek.

Het onderzoek is gebaseerd op de relatie tussen de temperatuur van heet gas dat uit een cluster van sterrenstelsels komt en de hoeveelheid röntgenstraling die dit gas produceert. Dit is bekend als de röntgenhelderheid van de cluster. De hoger de temperatuur van het gas in de cluster hoe hoger de röntgenhelderheid is.

Als eenmaal de temperatuur van de cluster bekend is dan kan de röntgenhelderheid worden geschat. Deze methode is afhankelijk van kosmologische waardes zoals de uitdijingssnelheid van het heelal.

Voor hun onderzoek gebruikten de astronomen 313 clusters van sterrenstelsels waarvan er 37 waargenomen waren met de Chandra röntgentelescoop van de NASA en 76 clusters die door de XMM-Newton röntgentelescoop van de ESA waren bekeken. In totaal werden de Chandra clusters 191 dagen waargenomen en de Newton-clusters 35 dagen.

Ook combineerden ze hun groep met twee andere grote röntgengroepen. Hiervoor werden gegevens van de XMM-Newton en de Japanse-Amerikaanse ASCA (Advanced Satellite for Cosmology and Astrophysics) gebruikt waardoor de totale set 742 clusters van sterrenstelsels betrof.

De resultaten leverden de onderzoekers schijnbare uitdijingssnelheden op verdeeld over de gehele sterrenhemel en hieruit bleek dat het heelal op sommige plekken sneller van ons af beweegt dan op andere plekken.

Ze vergeleken hun bevindingen met onderzoeken van andere groepen die met behulp van andere technieken ook aanwijzingen van een gebrek aan isotropie hadden gevonden. Hun bevindingen kwamen goed overeen met de laagste uitdijingssnelheid.

De onderzoekers hebben twee mogelijke verklaringen voor hun resultaten die betrekking hebben op de kosmologie.

Een van deze verklaringen is dat grote groepen van clusters van sterrenstelsels samen bewegen maar dat niet doen vanwege de kosmische uitdijing. Het is bijvoorbeeld mogelijk dat sommige nabije clusters door de zwaartekracht van andere clusters in dezelfde richting worden getrokken. Als de beweging snel genoeg is dan kan dit leiden tot fouten in de schattingen van clusterhelderheden.

Dit soort gecorreleerde bewegingen zouden zichtbaar zijn als verschillende uitdijingssnelheden in verschillende richtingen.

Astronomen hebben gelijkaardige effecten gezien met relatief nabije sterrenstelsels, op afstanden van minder dan 850 miljoen lichtjaar, waar bekend is dat onderlinge gravitationele aantrekking de beweging van objecten bepaalt.

De auteurs verwachtten echter dat de uitdijing van het heelal de beweging van clusters over een grotere afstand tot wel 5 miljard lichtjaar zou domineren zoals in dit nieuwe onderzoek wordt gesuggereerd.

Een tweede mogelijke verklaring is dat het heelal helemaal niet hetzelfde is in alle richtingen.

Een intrigerende reden zou kunnen zijn dat donkere energie, de mysterieuze kracht die achter de versnelling van de uitdijing van het heelal lijkt te zitten, zelf niet uniform is. In andere woorden, de röntgenstraling zou kunnen aanwijzen dat donkere energie in sommige delen van het heelal sterker is dan in andere delen waardoor er verschillende uitdijingssnelheden ontstaan.

Dit is te vergeleken met gist dat niet evenredig door het brood is gemengd waardoor het op sommige plaatsen sneller uitzet dan op andere plaatsen.

Het zou heel erg opmerkelijk zijn als donkere energie in verschillende delen van het heelal een verschillende sterkte zou hebben. Er is echter meer bewijs nodig om andere verklaringen uit te sluiten en een sluitende verklaring te hebben

Een van deze twee kosmologische verklaringen zou belangrijke gevolgen kunnen hebben. Veel onderzoeken in de kosmologie, waaronder röntgenonderzoeken van clusters van sterrenstelsels, gaan ervan uit dat het heelal isotropisch is en dat gecorreleerde bewegingen verwaarloosbaar zijn vergeleken met de kosmische uitdijing op de nu waargenomen afstanden.

Artikel: K. Migkas et al. 2020. Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX-T scaling relation. A&A 636, A15

Eerste publicatie: 11 april 2020
Bron: NASA