De Melkweg meet 100 tot 120 duizend lichtjaar in doorsnede, een afstand die de verbeelding tart. Maar clusters van sterrenstelsels, die honderden tot duizenden sterrenstelsels omvatten die zwermen onder een collectieve zwaartekracht, kunnen tientallen miljoenen lichtjaren omspannen.
Deze massieve clusters zijn een complex samenspel tussen botsende sterrenstelsels en donkere materie. Ze lijken onmogelijk precies in kaart te brengen. Maar nu heeft een internationaal team van astronomen met behulp van de NASA/ESA Hubble-ruimtetelescoop precies dit gedaan: het nauwkeurig in kaart brengen van een cluster van sterrenstelsels, genaamd MCS J0416.1-2403, op een afstand van 4,5 miljard lichtjaar.
'Hoewel we al meer dan twintig jaar weten hoe we de massa van een cluster in kaart kunnen brengen met behulp van sterke lenzen, heeft het lang geduurd om telescopen te krijgen die voldoende diepe en scherpe waarnemingen kunnen doen, en voordat onze modellen geavanceerd genoeg zijn voor ons om, in zo'n ongekend detail, een systeem zo ingewikkeld als MCS J0416.1-2403 in kaart te brengen,” zei co-auteur Jean-Paul Kneib in een persbericht.
Het meten van de hoeveelheid en verdeling van massa binnen verre objecten kan buitengewoon moeilijk zijn. Vooral als driekwart van alle materie in het heelal donkere materie is, die niet direct kan worden gezien omdat deze geen licht uitstraalt of weerkaatst. Het interageert alleen door de zwaartekracht.
Maar gelukkig vervormen en vervormen grote klompen materie het weefsel van de ruimte-tijd om hen heen. Ze gedragen zich als lenzen en lijken het licht dat langs hen heen reist te vergroten en te buigen van verder weg gelegen objecten.
Dit effect, ook wel zwaartekrachtlensvorming genoemd, is slechts in zeldzame gevallen zichtbaar en kan alleen worden waargenomen door de grootste telescopen. Zelfs clusters van sterrenstelsels hebben, ondanks hun enorme omvang, minimale zwaartekrachteffecten op hun omgeving. Voor het grootste deel veroorzaken ze een zwakke lenswerking, waardoor zelfs verder verwijderde bronnen aan de hemel slechts iets elliptischer lijken.
Wanneer de uitlijning van de cluster en het verre object echter precies goed is, kunnen de effecten aanzienlijk zijn. De achtergrondstelsels kunnen zowel helderder worden gemaakt als worden omgezet in ringen en lichtbogen, die meerdere keren in hetzelfde beeld verschijnen. Het is dit effect, bekend als sterke lenswerking, dat astronomen hielp de massaverdeling in MCS J0416.1-2403 in kaart te brengen.
'Door de diepte van de gegevens kunnen we zeer zwakke objecten zien en hebben we sterrenstelsels met sterkere lenzen kunnen identificeren dan ooit tevoren', zegt hoofdauteur dr. Jauzac. 'Hoewel sterke lenzen de achtergrondstelsels vergroten, zijn ze nog steeds erg ver weg en erg zwak. De diepte van deze gegevens betekent dat we ongelooflijk verre achtergrondstelsels kunnen identificeren. We kennen nu meer dan vier keer zoveel sterrenstelsels met een sterke lens in de cluster dan voorheen.”
Met behulp van Hubble's Advanced Camera for Surveys, identificeerden de astronomen 51 nieuwe meervoudig afgebeelde sterrenstelsels rond het cluster, een verviervoudiging van het aantal gevonden in eerdere onderzoeken. Dankzij dit effect konden Jauzac en haar collega's de verdeling van zichtbare en donkere materie in de cluster berekenen en een zeer beperkte kaart van de massa maken.
De totale massa binnen het cluster is 160 biljoen keer de massa van de zon, met een onzekerheid van 0,5%. Het is de meest nauwkeurige kaart die ooit is gemaakt.
Maar Jauzac en collega's zijn niet van plan hier te stoppen. Een nog nauwkeuriger beeld van de melkwegcluster zal ook metingen van zwakke lenzen moeten bevatten. Het team zal het cluster dus blijven bestuderen met behulp van ultradiepe Hubble-beeldvorming.
Ze zullen ook observatoria op de grond gebruiken om eventuele verschuivingen in de spectra van sterrenstelsels te meten en daarom de snelheden van de inhoud van het cluster te noteren. Het combineren van alle metingen zal niet alleen de details verder verbeteren, maar ook een 3D-model opleveren van de sterrenstelsels in het cluster, dat licht werpt op de geschiedenis en evolutie ervan.
Dit werk is geaccepteerd voor publicatie in deMaandelijkse mededelingen van de koninklijke astronomieen is beschikbaar online.