Donkere materie is onzichtbaar voor al onze instrumenten, maar dat betekent niet dat het er niet is. Een radiotelescoop die groot genoeg is, zou in staat moeten zijn om de straling van pregalactische waterstof, kort na de oerknal gevormd en in alle richtingen zichtbaar te maken. Elke tussenliggende donkere materie zal deze straling vervormen, zoals rimpelingen in een vijver, waardoor de aanwezigheid en hoeveelheid ervan wordt onthuld.
Als licht van verre objecten naar ons toe komt, wordt het pad enigszins gebogen door de zwaartekrachteffecten van de dingen die het passeert. Dit effect werd voor het eerst waargenomen in 1919 voor het licht van verre sterren die dichtbij het oppervlak van de zon passeren, wat bewijst dat de zwaartekrachttheorie van Einstein een betere beschrijving van de werkelijkheid is dan die van Newton. Het buigen veroorzaakt een waarneembare vervorming van de beelden van verre melkwegstelsels, analoog aan de vervorming van een verre scène die wordt gezien door een slechte ruit of wordt weerkaatst in een golvend meer. De sterkte van de vervorming kan worden gebruikt om de sterkte van de zwaartekracht van de voorgrondobjecten en dus hun massa te meten. Als er vervormingsmetingen beschikbaar zijn voor een voldoende groot aantal verre melkwegstelsels, kunnen deze worden gecombineerd om een kaart te maken van de gehele voorgrondmassa.
Deze techniek heeft al nauwkeurige metingen opgeleverd van de typische massa die wordt geassocieerd met voorgrondstelsels, evenals massakaarten voor een aantal individuele sterrenstelselclusters. Toch heeft het enkele fundamentele beperkingen. Zelfs een grote telescoop in de ruimte kan maar een beperkt aantal achtergrondstelsels zien, een maximum van ongeveer 100.000 in elk stukje hemel zo groot als de Volle Maan. Metingen van ongeveer 200 sterrenstelsels moeten samen gemiddeld worden om het zwaartekrachtvervormingssignaal te detecteren, dus het kleinste gebied waarvoor de massa kan worden afgebeeld is ongeveer 0,2% van dat van de Volle Maan. De resulterende afbeeldingen zijn onaanvaardbaar wazig en zijn voor veel doeleinden te korrelig. Zo kunnen alleen de allerhoogste brokken materie (de grootste clusters van sterrenstelsels) met vertrouwen in dergelijke kaarten worden gezien. Een tweede probleem is dat veel van de verre sterrenstelsels waarvan de vervorming wordt gemeten, voor veel van de massaklonten liggen die men in kaart wil brengen, en dus niet worden beïnvloed door hun zwaartekracht. Voor het scherp maken van de massa in een bepaalde richting zijn verder weg gelegen bronnen nodig en er zijn er veel meer nodig. MPA-wetenschappers Ben Metcalf en Simon White hebben aangetoond dat radio-emissie die uit het tijdperk naar ons toekomt voordat de sterrenstelsels zich hadden gevormd, dergelijke bronnen kan leveren.
Ongeveer 400.000 jaar na de oerknal was het heelal voldoende afgekoeld zodat bijna al zijn gewone materie veranderde in een diffuus, bijna uniform en neutraal gas van waterstof en helium. Een paar honderd miljoen jaar later had de zwaartekracht de non-uniformiteiten versterkt tot het punt waarop de eerste sterren en sterrenstelsels konden ontstaan. Hun ultraviolet licht verwarmde het diffuse gas vervolgens weer omhoog. Tijdens deze opwarming en gedurende een lange periode daarvoor was de diffuse waterstof heter of koeler dan de straling die overblijft van de oerknal. Als gevolg hiervan moet het radiogolven hebben geabsorbeerd of uitgezonden met een golflengte van 21 cm. Door de uitdijing van het heelal is deze straling vandaag zichtbaar op golflengten van 2 tot 20 meter en momenteel worden er een aantal laagfrequente radiotelescopen gebouwd om ernaar te zoeken. Een van de meest geavanceerde is de Low Frequency Array (LOFAR) in Nederland, een project waarin het Max Planck Instituut voor Astrofysica samen met een aantal andere Duitse instellingen een belangrijke rol wil gaan spelen.
De pregalactische waterstof heeft structuren van alle groottes die de voorlopers zijn van sterrenstelsels, en er zijn tot 1000 van deze structuren op verschillende afstanden langs elke gezichtslijn. Een radiotelescoop kan deze van elkaar scheiden omdat structuren op verschillende afstanden signalen afgeven op verschillende waargenomen golflengten. Metcalf en White laten zien dat door zwaartekrachtvervorming van deze structuren een radiotelescoop beelden met een hoge resolutie van de kosmische massadistributie kan produceren die meer dan tien keer scherper zijn dan de beste die kunnen worden gemaakt met vervormingen van sterrenstelsels. Een object dat qua massa vergelijkbaar was met onze eigen Melkweg, kon helemaal worden gedetecteerd tot de tijd dat het heelal nog maar 5% van zijn huidige leeftijd was. Dergelijke beeldvorming met hoge resolutie vereist een extreem grote telescooparray, die een gebied van ongeveer 100 km doorsnee dicht bestrijkt. Dit is 100 keer zo groot als gepland voor een dichtbebouwd centraal deel van LOFAR, en ongeveer 20 keer groter dan de dichtbebouwde kern van de Square Kilometre Array (SKA), de grootste dergelijke faciliteit die momenteel wordt besproken. Zo'n gigantische telescoop zou de hele zwaartekrachtmassadistributie van het heelal in kaart kunnen brengen, wat de ultieme vergelijkingskaart zou opleveren voor beelden van andere telescopen die slechts het kleine deel van de massa belichten dat straling uitzendt die ze kunnen detecteren.
We hoeven echter niet te wachten tot de gigantische telescoop ongeëvenaarde resultaten van deze techniek krijgt. Een van de meest urgente problemen in de huidige natuurkunde is om een beter begrip te krijgen van de mysterieuze donkere energie die momenteel de versnelde uitdijing van het heelal aandrijft. Metcalf en White laten zien dat massakaarten van een groot deel van de lucht gemaakt met een instrument als SKA de eigenschappen van Donkere Energie nauwkeuriger kunnen meten dan elke eerder voorgestelde methode, meer dan 10 keer zo nauwkeurig als massakaarten van vergelijkbare grootte op basis van zwaartekracht vervormingen van de optische beelden van sterrenstelsels.
Oorspronkelijke bron: Max Planck Institute for Astrophysics News Release
