Van atomen tot de kosmos: ‘Alles in het universum is met elkaar verbonden’
Kunnen we de grootste structuren in het universum onderzoeken door te kijken naar de kleinste deeltjes? Daarover gaat het onderzoek van Lydia Stofanova, promovendus aan de Leidse Sterrewacht en SRON — het Nederlandse instituut voor ruimteonderzoek. Ze bestudeert hoe elementen zoals zuurstof de grootschalige structuur van het universum beïnvloeden.
Door de kleinste deeltjes te bestuderen, kunnen onderzoekers het ontstaan en de verbindingen van enorme structuren zoals sterrenstelsels in kaart brengen. ‘Alles in het universum is met elkaar verbonden,’ zegt Stofanova. ‘Dezelfde elementen waaruit wij zijn opgebouwd, stellen ons in staat de grootste structuren in het universum te onderzoeken.’ Die wisselwerking tussen groot en klein is het ware wonder van het uitstrekte heelal dat we zien als we naar de sterrenhemel kijken.
Waar is de ontbrekende materie van het universum gebleven?
Het universum heeft een webachtige structuur, een ‘kosmisch web’ met draderige structuren gevuld met gas en donkere materie. Deze zogenoemde filamenten verbinden sterrenstelsels en groepjes sterrenstelsels met elkaar. In het verre verleden was die structuur al aanwezig, maar astronomen zien minder materie dan verwacht in onze nabije omgeving. Waar is deze materie gebleven?
‘We moeten een andere bril opzetten’
Stofanova verdiepte zich in een bestaande theorie om deze vraag te beantwoorden. ‘Simulaties laten zien dat deze materie niet echt verdwenen is, maar dat het gas is opgewarmd. Door die temperatuurstijging is het gas onzichtbaar geworden in het ultraviolette licht en zichtbaar in röntgenstraling. We hoeven alleen maar een andere bril op te zetten om het kosmische web en zijn filamenten te kunnen zien!’
Hoewel de techniek al jaren bestaat, blijft het detecteren van heet gas in het kosmische web een uitdaging.
Deze andere manier van kijken heet röntgenspectroscopie. Stofanova gebruikte deze methode om het kosmische web te bestuderen. Hoewel de techniek al jaren bestaat, blijft het detecteren van heet gas in het kosmische web een uitdaging. Daarom voeren wetenschappers zoals Stofanova meer computersimulaties uit om zich voor te bereiden op toekomstige missies die mogelijk gas in deze filamenten kunnen detecteren. Stofanova: ‘Als we de oorsprong en de evolutie van het universum beter willen begrijpen, moeten we eerst dit hete gas detecteren en zijn eigenschappen bestuderen. Misschien moeten we zelfs onze modellen aanpassen om ze beter aan te laten sluiten op wat we zien.’
Van micro naar macro: de grootste structuren in ons universum bestuderen
De rode draad in Stofanova’s onderzoek is de verbinding tussen micro en macro. ‘Veel van wat ik deed tijdens mijn promotieonderzoek had te maken met atoom- en plasmafysica, gericht op kleine deeltjes, zoals ionen en elektronen. Maar deze principes hebben me geholpen om de grootste structuren in ons universum te bestuderen.’ Van micro naar macro, dus.
De resultaten van röntgenspectroscopie blijven niet alleen theoretisch: die data vormen de basis voor simulaties van de evolutie van het universum. Door observaties te combineren met theoretische modellen, kunnen onderzoekers zoals Stofanova voorspellen hoe elementen zoals zuurstof zich over kosmische structuren verspreiden. Dat vertelt ons dan weer meer over welke processen het universum in het begin hebben gevormd.
Bezoek aan NASA: een kinderdroom die uitkomt
Het detecteren van de verschillende lagen van het kosmische web blijft uitdagend, zegt Stofanova, maar niet onmogelijk. ‘Toekomstige ruimtemissies zijn onze grootste hoop.’ Een van deze missies is het Athena Observatorium, dat eind jaren 2030 wordt gelanceerd door ESA.
Hoewel Stofanova in haar onderzoek met simulaties werkte, kreeg ze de kans om een plek te bezoeken waar theorie in de praktijk wordt gebracht: NASA. Daar was ze uitgenodigd om haar bevindingen te presenteren. ‘Hiermee kwam mijn kinderdroom in vervulling. Het voelde alsof alles op zijn plek viel.’
Promotie
Lydia Stofanova verdedigde haar proefschrift met de titel ‘From Atoms to the Cosmos: Exploring the Cosmic Web Beyond Collisional Ionisation Equilibrium’ op 13 november in het Academiegebouw in Leiden. Haar promotoren waren Aurora Simionescu, Jelle Kaastra en Joop Schaye.