Op de grootste schaal omvatten netwerken van gasvormige filamenten honderden miljoenen lichtjaar, die enorme clusters van sterrenstelsels met elkaar verbinden. Maar dit gas is zo zeldzaam dat je het niet direct kunt zien.
Al jaren gebruiken astronomen quasars - schitterende galactische centra die worden gevoed door superzware zwarte gaten die snel materiaal opnemen - om de anders onzichtbare materie in kaart te brengen.
Maar nu is het voor het eerst een team van astronomen onder leiding van Khee-Gan Lee, een postdoc aan het Max Planck Institute for Astronomy, erin geslaagd een driedimensionale kaart te maken van de grootschalige structuur van het heelal met behulp van verre sterrenstelsels. En de voordelen zijn legio.
De wetenschap is altijd zoiets als dit gegaan: terwijl het heldere licht van een verre quasar naar de aarde reist, ontmoet het de tussenliggende wolken waterstofgas en wordt het gedeeltelijk geabsorbeerd. Dit laat donkere absorptielijnen achter in het spectrum van de quasar.
Als het heelal statisch zou zijn, zouden de donkere absorptielijnen altijd op dezelfde plek (121 nanometer voor de zogenaamde Lyman-alfa-lijn) in het spectrum van de quasar zitten. Maar omdat het heelal uitdijt, vliegt de verre quasar met hoge snelheid weg van de aarde. Dit strekt het licht van de quasar uit, zodat elke tussenliggende waterstofgaswolk zijn absorptiesignatuur afdrukt op een ander gebied van het spectrum van de quasar, waardoor een woud van lijnen achterblijft.
Daarom kunnen gedetailleerde metingen van spectra van meerdere quasars dicht bij elkaar de driedimensionale aard van de tussenliggende waterstofwolken onthullen. Maar sterrenstelsels zijn bijna 100 keer talrijker dan quasars. Dus in theorie zouden ze een veel gedetailleerdere kaart moeten opleveren.
Het enige probleem is dat sterrenstelsels ook ongeveer 15 keer zwakker zijn dan quasars. Astronomen dachten dus dat ze gewoon niet helder genoeg waren om goed te zien in het verre heelal. Maar Lee voerde berekeningen uit die anders suggereerden.
"Ik was verrast toen ik ontdekte dat bestaande grote telescopen al voldoende licht van deze zwakke sterrenstelsels zouden moeten kunnen verzamelen om de absorptie op de voorgrond in kaart te brengen, zij het met een lagere resolutie dan haalbaar zou zijn met toekomstige telescopen", zei Lee in een persbericht. 'Toch zou dit een ongekend beeld geven van het kosmische web dat nog nooit op zulke grote afstanden in kaart is gebracht.'
Lee en zijn collega's gebruikten de 10 meter lange Keck I-telescoop op Mauna Kea, Hawaii om de verre melkwegstelsels en het woud van waterstofabsorptie in hun spectra nader te bekijken. Maar zelfs het weer op Hawaï kan lelijk worden.
"We waren behoorlijk teleurgesteld omdat het slecht weer was en we slechts een paar uur goede gegevens konden verzamelen", zegt co-auteur Joseph Hennawi, ook van het Max Planck Institute for Astronomy. "Maar te oordelen naar de kwaliteit van de gegevens die van de telescoop kwamen, was het me al duidelijk dat het experiment zou werken."
Het team kon slechts vier uur lang gegevens verzamelen. Maar het was nog nooit eerder vertoond. Ze keken naar 24 verre sterrenstelsels, die voldoende dekking gaven voor een klein stukje van de lucht en hen in staat stelden de informatie te combineren tot een driedimensionale kaart.
De kaart toont de grootschalige structuur van het heelal toen het nog maar een kwart van zijn huidige leeftijd was. Maar het team hoopt binnenkort de kaart te ontleden voor meer informatie over de functie van de structuur - het volgen van de stromen van kosmisch gas terwijl het wegvloeide van holtes naar verre sterrenstelsels. Het zal een uniek historisch verslag opleveren over hoe de melkwegclusters en holtes zijn gegroeid uit inhomogeniteiten in de oerknal.
De resultaten zijn gepubliceerd in het Astrophysical Journal en zijn online beschikbaar.
