Gewone materie en donkere materie in de kosmische achtergrondstraling

De waargenomen fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling.
Figuur: ESA/Planck samenwerking.

Op de mailinglist van de Vereniging voor Sterrenkunde verscheen de vraag hoe men uit de kosmische achtergrondstraling kan afleiden hoeveel gewone en hoeveel donkere materie er in het heelal zit. Zijn beide niet identiek als het over zwaartekracht gaat?

Het antwoord is dat gewone materie zich in het jonge heelal anders gedroeg dan donkere materie. In het jonge heelal (bijvoorbeeld 100 000 jaar oud, temperatuur ongeveer 10000 graden) was de materie lichtjes onregelmatig verdeeld. Door fluctuaties in de zwaartekracht traden er op regelmatige plaatsen condensaties op, waar de materie wat dichter opeenpakte dan het gemiddelde. Daarnaast had je uiteraard ook plaatsen waar de materie minder dicht was. In zo'n verdichting reageerde gewone materie door de temperatuur ter plaatse wat te verhogen, waardoor de druk verhoogde en de samenklontering werd tegengewerkt. Dit veroorzaakte een soort van golven ("akoestische golven") in het heelal, met afwisselend plaatsen van grotere en kleinere dichtheid van gewone materie. Die golven zijn vandaag nog zichtbaar in de kosmische achtergrondstraling als kleine vlekjes (fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling), aan de hemel ongeveer een derde graad groot.

De donkere materie "deed ook mee" aan de lokale condensaties, maar donkere materie warmt door samentrekking niet op, in tegenstelling tot gewone materie. Daardoor vormde donkere materie in het jonge heelal kleinere condensaties dan gewone materie. Die condensaties zien we vandaag in de achtergrondstraling als vlekjes van ongeveer een vijfde graad groot.

De verdeling van de grootte van de temperatuurfluctuaties in de kosmische
achtergrondstraling. Horizontaal staat grootte van de fluctuaties,
de verticale schaal is een maat voor het aantal vlekjes met een gegeven
afmeting. Figuur: ESA/Planck samenwerking.

De WMAP en Planck satellieten hebben de verdeling van de grootte van de vlekjes in de kosmische achtergrondstraling gemeten. Door te kijken hoeveel vlekjes van 1/3 graad en 1/5 graad er zijn, kan men een idee krijgen van hoeveel gewone en hoeveel donkere materie er in het heelal moet zitten. Kijken we naar de verdeling van de grootte van de vlekjes in de achtergrondstraling, dan zien we een aantal opeenvolgende pieken. De eerste piek, een aantal vrij grote vlekken, wordt vooral beïnvloed door de kromming van het heelal. Het is uit deze piek dat men afleidde dat ons heelal vlak is. De tweede piek zegt dat er veel vlekjes zijn van ongeveer een derde graad groot. Dit is een maat voor de hoeveelheid gewone materie. De derde piek, bij een vijfde graad, is een maat voor de donkere materie. 

Deze uitleg is wat schematisch. In de praktijk worden alle pieken in meer of in mindere mate

beïnvloed door zowel de kromming, de hoeveelheid gewone en de hoeveelheid donkere materie.