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. Op 13 november verdedigde ze haar proefschrift.
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.
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?
Andere bril
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!’
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 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.
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.
Exploring the largest structures in the universe by looking at the tiniest particles? Lydia Stofanova, PhD candidate at Leiden Observatory and SRON Netherlands Institute for Space Research, dives into this intricate connection. In her PhD research, she explored how elements like oxygen influence the large-scale structure of the universe, the cosmic web. She defended her thesis on November 13th.
The Universe’s largest structures are revealed by the tiniest particles. ‘Everything in the universe is connected,’ Stofanova says. ‘The elements we are made of are the same elements that help us study the largest scales in our Universe.’ That’s the true wonder of the vastness of the universe that we see when we look into the night sky.
At the largest scale, the universe is structured like a giant web—a ‘cosmic web’—of filaments filled with gas and dark matter that bind galaxies and galaxy clusters together. This web-like structure was already present in the past, we know through observation. But looking at the local Universe, scientists do not observe the same amount of material as they would expect. Where did this matter go?
Different set of glasses
Stofanova further explored an existing theory and method to answer this question. ‘With help from simulations, we found that this matter did not get lost, but the gas got heated. Because of this rise in temperature, it has become invisible in one waveband (ultraviolet) and became visible in another (X-ray). We just have to put on a different set of glasses to detect the cosmic web and its filaments!’
This alternative way of observation is called X-ray spectroscopy. Stofanova used this method to study the cosmic web. It has been around for many decades, but detecting the hot and rarefied gas of the cosmic web is very challenging with nowadays instruments. Therefore, scientists like Stofanova need to make more simulations and explore this methodology further in order to prepare us for future missions which promise to detect gas in these filaments. Stofanova: ‘If we want to be able to better understand the evolution of our universe and its largest structures, we first need to detect this hotter gas, observe its properties and behaviour. We might even need to adjust our models to ensure they accurately reflect what we are seeing.’
From micro to macro
The connection between micro and macro is something that connects everything Stofanova studied and learned during her PhD. ‘Throughout my Ph.D., I relied on atomic and plasma physics, which usually apply to tiny scales, like ions and electrons. Frankly, these principles helped me study some of the largest structures in our universe.’
The findings from X-ray spectroscopy don’t just remain theoretical. They provide a data-driven foundation for simulations that model the universe’s evolution. By combining real observations with theoretical models, researchers like Stofanova can simulate how elements like oxygen spread through cosmic structures over time, lending insight into processes that have shaped the universe since its earliest days.
Detecting the cosmic web filaments with X-ray spectroscopy is challenging, Stofanova says, but not impossible. ‘The future space missions are our biggest hope for this detection.’ One of these missions is the Athena Observatory, that will launch in the late 2030s.