Astronomen vangen zwakste waterstofsignaal ooit op, sleutel tot kaart heelal

Een internationaal team van astronomen heeft voor het eerst rechtstreeks een extreem zwak radiosignaal van waterstofgas gemeten dat miljarden lichtjaren ver weg vandaan komt. De ontdekking, gedaan met de Zuid-Afrikaanse radiotelescoop MeerKAT, toont aan dat een nieuwe meettechniek werkt waarmee wetenschappers straks veel grotere delen van het heelal in kaart kunnen brengen dan met bestaande methodes mogelijk is.

Waterstof als kosmische gids

Waterstofatomen zenden van nature een zeer zwakke radiogolf uit, bekend als de 21-centimeterlijn. Omdat het heelal uitdijt, wordt dit signaal onderweg uitgerekt naar langere golflengtes. Aan de mate van die rek, de roodverschuiving, kunnen astronomen aflezen uit welke periode van de kosmische geschiedenis het signaal afkomstig is.

De onderzoekers, verbonden aan de University of Manchester en de University of the Western Cape, gebruikten een techniek die waterstof-intensiteitskartering heet. In plaats van losse sterrenstelsels één voor één op te sporen, meet deze methode de gezamenlijke radiogloed van waterstof in enorme aantallen sterrenstelsels tegelijk. Zo kunnen wetenschappers grote delen van de ruimte onderzoeken zonder elk sterrenstelsel apart te hoeven identificeren, en daaruit een driedimensionale kaart van de materieverdeling in het heelal reconstrueren.

96 uur turen naar een fluistering

Voor de studie, gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters, analyseerde het team ongeveer 96 uur aan waarnemingen van MeerKAT. Daarin vonden de onderzoekers het signaal uit twee verschillende periodes in de kosmische geschiedenis: licht dat vier tot vijf miljard jaar onderweg was voordat het de aarde bereikte. De metingen strekten zich uit over afstanden van enkele miljoenen lichtjaren, vergelijkbaar met de afstand tussen de Melkweg en de naburige Andromedanevel.

Eerdere metingen van waterstof op dit soort afstanden waren vrijwel altijd afhankelijk van een combinatie van radiowaarnemingen en optische gegevens van sterrenstelsels. Dit keer wisten de onderzoekers het signaal rechtstreeks te isoleren, puur op basis van MeerKAT-data. Dat is opmerkelijk, omdat het signaal extreem zwak is en makkelijk overstemd wordt door storende radiogolven, andere kosmische ruis en fouten in de apparatuur zelf. Volgens hoofdonderzoeker Sourabh Paul vergde het isoleren van het signaal een grondige analyse van al die verstorende factoren.

Opmaat naar grotere telescopen

Opvallend is dat de gebruikte data uit 2018 stammen, toen MeerKAT nog maar net operationeel was en niet specifiek was ingericht voor dit soort metingen. Dat belooft veel voor de rest van het inmiddels omvangrijke archief aan MeerKAT-waarnemingen, dat nog grotendeels onbenut is voor deze toepassing.

De techniek geldt als een belangrijk speerpunt voor de Square Kilometre Array Observatory (SKA), een nieuwe generatie radiotelescopen waarvoor MeerKAT dient als voorloper. Met grotere en langduriger waarnemingen moeten toekomstige metingen een nog scherpere kaart van neutrale waterstof opleveren. Dat kan onderzoekers helpen te begrijpen hoe sterrenstelsels door de tijd heen zijn ontstaan en veranderd, en welke rol donkere materie speelt in de opbouw van de grootschalige structuur van het heelal.