Neutrino’s gezien in het clusteren van sterrenstelsels

26 februari 2019

Kort na de oerknal was het heelal een energetisch mengsel van deeltjes met een sterke onderlinge interactie. De eerste deeltjes die zichzelf vrij wisten te maken uit deze dichte oersoep waren de neutrino’s, de lichtste en zwakst wisselwerkende deeltjes uit het standaardmodel van elementaire deeltjes. Deze neutrino’s bevinden zich ook vandaag de dag nog overal om ons heen, maar zijn heel moeilijk direct waar te nemen omdat hun wisselwerking zo zwak is.

Een artist’s impression van het schilvormige clusteren van sterrenstelsels in het heelal. De precieze vorm van de schillen wordt subtiel beïnvloed door neutrino’s die kort na de Oerknal geproduceerd zijn. Afbeelding: Zosia Rostomian (LBNL), SDSS-III, BOSS.

Een internationaal team van kosmologen, onder wie Daniel Baumann en Benjamin Wallisch van de Univseriteit van Amsterdam, is er nu in geslaagd om te meten welke invloed deze ‘kosmische neutrino-achtergrond’ heeft gehad op de manier waarop sterrenstelsels gedurende de evolutie van het heelal clusters hebben gevormd. Het onderzoek werd deze week gepubliceerd in Nature Physics.

Als je een steentje in het water gooit, ontstaan er kleine rimpelingen die in cirkels naar buiten bewegen. Op een soortgelijke manier ontstonden er in het oer-plasma in het vroege heelal, rond de regionen met de hoogste dichtheid, schillen van materie (vooral protonen en elektronen) die naar buiten toe bewogen met bijna de snelheid van het licht. Dit naar buiten duwen van de materie was een gevolg van het grote aantal hoog-energetische fotonen – lichtdeeltjes – in het vroege heelal.

Bevroren schillen

Zo’n 380.000 jaar na de oerknal, toen de meeste vrije elektronen werden ingevangen door protonen en daarmee elektrisch neutrale waterstofatomen vormden, stopte het uitspreiden van de materieschillen omdat de fotonen geen interactie meer hadden met de elektronen. De resulterende ‘bevroren’ materieschillen werden de gebieden met hoge materiedichtheid waaruit uiteindelijk een groot aantal sterrenstelsels zou ontstaan. Hieruit kan voorspeld worden dat een extra groot aantal paren van sterrenstelsels gevonden zou moeten worden op een onderlinge afstand van zo’n 500 miljoen lichtjaar – een afstand die overeenkomt met de grootte van de bevroren schillen die in het vroege heelal ontstonden. In 2005 werd dit effect inderdaad voor het eerst waargenomen in de verdeling van sterrenstelsels in het heelal, gemeten door de Sloan Digital Sky Survey (SDSS).

Het effect van neutrino’s

De aanwezigheid van de kosmische achtergrond van neutrino’s heeft een subtiele maar relevante invloed op het hierboven beschreven proces. Toen de neutrino’s ontkoppelden van de rest van de oermaterie begonnen ze met de snelheid van het licht te bewegen – iets sneller dus dan de rest van de materie. Als gevolg daarvan vervormde de zwaartekrachts-aantrekking van de wegsnellende neutrino’s de materieschillen een heel klein beetje, wat zorgde voor kleine verstoringen in de kiemen die veel later sterrenstelsels zouden vormen. Deze invloed van de kosmische neutrino’s op de structuur van het heelal op grote schaal zou detecteerbaar moeten zijn door een nauwkeurige analyse te maken van het clusteren van sterrenstelsels.

In hun artikel hebben Baumann en zijn collega’s nieuwe SDSS-data bestudeerd van ongeveer 1,2 miljoen sterrenstelsels tot op een afstand van 6 miljard lichtjaar. Hun statistische analyse bevestigt de verwachte signatuur van de zee van kosmische neutrino’s die het hele heelal vult. De nieuwe meting geeft een interessante bevestiging van het standaard kosmologische model waarin de productie van neutronen, één seconde na de oerknal, gekoppeld wordt aan het clusteren van sterrenstelsels miljarden jaren later.

Dit onderzoek werd deels mogelijk gemaakt door een Vidi-subsidie van NWO.

Referentie

First constraint on the neutrino-induced phase shift in the spectrum of baryon acoustic oscillations, Daniel Baumann, Florian Beutler, Raphael Flauger, Daniel Green, Anže Slosar, Mariana Vargas-Magaña, Benjamin Wallisch and Christophe Yèche, Nature Physics, februari 2019.

Bron: Universiteit van Amsterdam UvA