MeerKAT vangt voor het eerst zwak waterstofsignaal uit het verre heelal op

Astronomen van de University of Manchester en de University of the Western Cape hebben met de radiotelescoop MeerKAT in Zuid-Afrika een extreem zwak radiosignaal opgevangen van waterstofgas dat miljarden lichtjaren verderop ligt. Het gaat om straling die is uitgezonden toen het heelal nog enkele miljarden jaren jonger was dan nu. De resultaten zijn gepubliceerd in The Astrophysical Journal Letters en laten zien dat een nieuwe meettechniek klaar is voor grootschalig gebruik in de sterrenkunde.

Wat is waterstof-intensiteitskartering?

Neutraal waterstofgas zendt van nature een zwak radiosignaal uit, bekend als de 21-centimeterlijn. Doordat het heelal uitdijt, wordt dit signaal onderweg uitgerekt naar langere golflengtes. Daardoor kunnen astronomen aan de golflengte aflezen uit welke periode van de kosmische geschiedenis het signaal afkomstig is. In plaats van losse sterrenstelsels één voor één te fotograferen, meet waterstof-intensiteitskartering de gecombineerde radiostraling van talloze, niet individueel te onderscheiden sterrenstelsels tegelijk. Zo kunnen onderzoekers in één keer enorme delen van het heelal in kaart brengen en een driedimensionaal beeld opbouwen van hoe materie is verdeeld.

Tot nu toe waren betrouwbare metingen op deze afstanden alleen mogelijk door radiowaarnemingen te combineren met optische waarnemingen van sterrenstelsels. In deze nieuwe studie lukte het de onderzoekers voor het eerst om het signaal rechtstreeks te detecteren, puur op basis van MeerKAT-data. Het team analyseerde ongeveer 96 uur aan waarnemingen en vond het signaal in twee verschillende periodes uit de kosmische geschiedenis, overeenkomend met licht dat vier tot vijf miljard jaar onderweg was naar de aarde. De gemeten structuren strekken zich uit over afstanden van miljoenen lichtjaren, vergelijkbaar met de afstand tussen de Melkweg en de buurstelsel Andromeda.

Een lastige meting met grote gevolgen

Onderzoeksleider Sourabh Paul noemt de detectie een belangrijke mijlpaal. Het signaal is namelijk extreem zwak en moeilijk te scheiden van storende radiobronnen, menselijke radiostoring en fouten in de meetapparatuur zelf. Volgens co-auteur Santos was de analyse bijzonder lastig, mede omdat de gebruikte data al uit 2018 stammen, vlak nadat MeerKAT met wetenschappelijke waarnemingen begon. Dat er nu al bruikbare resultaten uit die vroege data komen, wijst erop dat er nog veel meer te ontdekken valt in het bestaande archief van de telescoop.

De techniek is niet alleen relevant voor MeerKAT zelf. Waterstof-intensiteitskartering geldt als een van de belangrijkste toepassingen voor de Square Kilometer Array Observatory (SKAO), een internationale radiotelescoop in aanbouw waarvoor MeerKAT dient als voorloper. Co-auteur Laura Wolz van de University of Manchester benadrukt dat het signaal kon worden gehaald uit waarnemingen die oorspronkelijk niet voor dit doel waren gepland. Dat vergroot het vertrouwen dat toekomstige, gerichte waarnemingen met nog grotere telescopen nog gedetailleerdere kaarten van het heelal kunnen opleveren. Daarmee krijgen wetenschappers een beter beeld van hoe sterrenstelsels ontstaan, hoe donkere materie de kosmische structuur vormt en hoe het heelal zich door de miljarden jaren heen heeft ontwikkeld.