In de moderne sterrenkunde is het heelal niet zomaar een willekeurige verzameling sterrenstelsels. Wanneer astronomen het universum op zeer grote schaal in kaart brengen, verschijnt een opvallend patroon: een kosmisch web van filamenten, knooppunten en enorme leegtes. Die leegtes staan bekend als superholtes of, in het Engels, cosmic supervoids. Ze behoren tot de grootste structuren die we kennen en spelen een belangrijke rol in ons begrip van de vorming en evolutie van het heelal.
Wanneer we het heelal op de grootste schaal bekijken, zien we dat sterrenstelsels niet gelijkmatig verspreid zijn. In plaats daarvan vormen ze een complex netwerk dat bekendstaat als het kosmische web. Dit web bestaat uit filamenten van sterrenstelsels en donkere materie, die samenkomen in knooppunten waar clusters en superclusters van sterrenstelsels ontstaan. Tussen deze filamenten liggen grote gebieden waar nauwelijks sterrenstelsels voorkomen. Deze gebieden worden voids genoemd. Superholtes zijn de grootste varianten hiervan en kunnen honderden miljoenen tot zelfs meer dan een miljard lichtjaar groot zijn. Ze domineren een aanzienlijk deel van het volume van het waarneembare heelal. Het bestaan van superholtes werd pas duidelijk toen astronomen begonnen met grootschalige roodverschuivingsonderzoeken. Door de afstanden tot enorme aantallen sterrenstelsels te meten, konden driedimensionale kaarten van het heelal worden opgebouwd. In deze kaarten werd zichtbaar dat sterrenstelsels zich ophopen in filamenten en wanden, terwijl er daartussen uitgestrekte onderdichte gebieden liggen. Met statistische methoden en computeralgoritmen kunnen astronomen deze onderdichte regio’s identificeren en hun omvang en vorm bepalen. Zo werd duidelijk dat sommige voids zo groot zijn dat ze terecht als superholtes worden geclassificeerd.
Hoe zijn deze ontstaan?
De oorsprong van superholtes ligt in de vroege geschiedenis van het heelal, kort na de oerknal. Volgens het standaard kosmologische model was het jonge heelal bijna uniform, maar niet perfect. Er waren kleine, willekeurige fluctuaties in dichtheid, zichtbaar in de kosmische achtergrondstraling. Sommige gebieden waren net iets dichter dan gemiddeld, andere net iets minder dicht. Deze kleine verschillen vormden het uitgangspunt voor de latere structuurvorming. Onder invloed van zwaartekracht begonnen de dichtere regio’s steeds meer materie aan te trekken. Ze groeiden uit tot filamenten, clusters en superclusters van sterrenstelsels. Tegelijkertijd verloren de onderdichte regio’s relatief materie aan hun omgeving. Materie stroomde als het ware weg uit deze gebieden richting de dichtere structuren. Naarmate de tijd vorderde, werden deze onderdichte gebieden steeds leger en groter. Zo ontstonden voids en uiteindelijk superholtes. Dit proces wordt soms beschreven als een kosmische schuimstructuur, waarin lege bellen worden gescheiden door dunne wanden van materie. Donkere materie speelt een cruciale rol in dit proces. Hoewel zij niet direct zichtbaar is, levert zij het grootste deel van de zwaartekracht die nodig is om structuren te vormen. In superholtes is de dichtheid van donkere materie lager, waardoor de zwaartekracht daar zwakker is. Dit maakt het voor materie moeilijker om zich in deze gebieden te verzamelen. Donkere energie, de mysterieuze component die verantwoordelijk is voor de versnelde uitdijing van het heelal, versterkt dit effect. In lege regio’s, waar zwaartekracht minder tegenwicht biedt, kan donkere energie relatief sterker doorwerken. Hierdoor lijken superholtes sneller uit te dijen dan dichtere delen van het heelal.
Enkele bekende superholtes
Een bekend voorbeeld is de Eridanus-superholte, die zich bevindt in de richting van het sterrenbeeld Eridanus. Deze superholte kreeg veel aandacht omdat zij mogelijk samenhangt met een koude vlek in de kosmische microgolfachtergrond, de zogeheten CMB Cold Spot. De kosmische achtergrondstraling is het nagloeien van de oerknal en vertoont kleine temperatuurvariaties. Licht dat door een enorme onderdichte regio reist, kan door het Integrated Sachs-Wolfe-effect iets van energie verliezen, waardoor een koudere plek ontstaat. Hoewel er nog discussie bestaat over de exacte eigenschappen van de Eridanus-superholte, is zij een van de grootste en meest bestudeerde superholtes. Een ander belangrijk voorbeeld is de Local Void. Deze bevindt zich relatief dichtbij onze eigen kosmische omgeving en grenst aan de Lokale Groep van sterrenstelsels, waartoe ook de Melkweg behoort. Hoewel deze void kleiner is dan sommige andere superholtes, is zij interessant omdat zij mogelijk invloed heeft op de beweging van nabijgelegen sterrenstelsels. De lage dichtheid in deze regio betekent dat er minder zwaartekracht is die materie aantrekt, waardoor omliggende structuren als het ware van de leegte weg bewegen. Ook de Bootes Void is een klassiek voorbeeld. Deze werd al in de jaren tachtig ontdekt en was een van de eerste sterke aanwijzingen dat het heelal op grote schaal zeer onregelmatig is. Met een diameter van ongeveer 250 miljoen lichtjaar bevat dit gebied opvallend weinig sterrenstelsels. De ontdekking van de Bootes Void was destijds verrassend en leidde tot nieuwe vragen over hoe zulke enorme leegtes konden ontstaan in een heelal dat aanvankelijk vrijwel homogeen was.
Schematische voorstelling van enkele superholtes in het heelal.
Dynamische structuren
Superholtes zijn dynamische structuren. Ze blijven niet onveranderd, maar evolueren over miljarden jaren. Kleinere voids kunnen samensmelten tot grotere, terwijl de vormen van superholtes worden beïnvloed door de zwaartekracht van omliggende filamenten en wanden. In kosmologische simulaties zien astronomen dat superholtes steeds dominanter worden naarmate het heelal ouder wordt. Op zeer lange termijn zou het heelal grotendeels kunnen bestaan uit enorme lege volumes, met sterrenstelsels geconcentreerd in steeds dunnere structuren daartussen. Wetenschappelijk gezien zijn superholtes van groot belang. Hun eigenschappen bieden een krachtige test voor kosmologische modellen, zoals het standaard ΛCDM-model, waarin het heelal wordt beschreven met koude donkere materie en donkere energie. Door de grootte, vorm en verdeling van superholtes te vergelijken met simulaties, kunnen astronomen nagaan of hun theorieën overeenkomen met de werkelijkheid. Afwijkingen kunnen wijzen op nieuwe fysica of op een onvolledig begrip van donkere energie en zwaartekracht. Daarnaast kunnen superholtes invloed hebben op kosmologische waarnemingen. Ze kunnen subtiele effecten veroorzaken op de roodverschuiving van sterrenstelsels, op de helderheid van verre supernova’s en op de temperatuurverdeling van de kosmische achtergrondstraling. In sommige gevallen is zelfs gesuggereerd dat onze positie in of nabij een grote onderdichte regio invloed kan hebben op metingen van de uitdijingssnelheid van het heelal, de Hubble-constante. Hoewel dit onderwerp nog onderwerp van discussie is, laat het zien hoe belangrijk superholtes zijn voor precisiekosmologie.
Hoe worden superholtes ontdekt?
Superholtes worden niet ontdekt door ze direct “te zien” met een telescoop, maar door het heelal op grote schaal systematisch in kaart te brengen en statistisch te analyseren. Hun ontdekking is het resultaat van een combinatie van waarnemingen, meetmethoden en theoretische modellering. De basis voor het ontdekken van superholtes ligt in grootschalige sterrenstelselonderzoeken, ook wel galaxy surveys genoemd. In deze projecten worden de posities van honderdduizenden tot miljoenen sterrenstelsels gemeten. Daarbij wordt niet alleen hun positie aan de hemel bepaald, maar ook hun afstand tot de aarde. Die afstand wordt afgeleid uit de roodverschuiving van het licht: hoe sterker het licht naar het rode deel van het spectrum verschoven is, hoe sneller het sterrenstelsel zich van ons verwijdert en hoe groter zijn afstand. Door deze gegevens te combineren, kunnen astronomen driedimensionale kaarten van het heelal construeren. In zulke kaarten worden onderdichte gebieden onmiddellijk zichtbaar als grote volumes waarin nauwelijks sterrenstelsels voorkomen.
Zodra zo’n driedimensionale kaart beschikbaar is, volgt een statistische analyse van de verdeling van sterrenstelsels. Astronomen berekenen de gemiddelde dichtheid van sterrenstelsels in het heelal en vergelijken die met de lokale dichtheid in verschillende regio’s. Gebieden waar de dichtheid sterk onder het gemiddelde ligt, worden aangemerkt als voids. Wanneer deze gebieden uitzonderlijk groot zijn, spreken we van superholtes. Hiervoor worden geavanceerde algoritmen gebruikt die de grenzen van deze leegtes bepalen en onderscheid maken tussen echte onderdichtheden en toevallige fluctuaties in de data. Een belangrijke aanvulling op deze methode is het gebruik van kosmologische simulaties. Computersimulaties van de evolutie van het heelal, gebaseerd op bekende natuurwetten en kosmologische parameters, voorspellen hoe het kosmische web eruit zou moeten zien. Door waarnemingen te vergelijken met deze simulaties kunnen astronomen bevestigen dat de geïdentificeerde structuren inderdaad overeenkomen met verwachte superholtes en geen artefacten zijn van onvolledige data of meetfouten. Naast het tellen van sterrenstelsels maken astronomen ook gebruik van zwaartekrachtslensing. Donkere materie buigt het licht van achtergrondstelsels af. In gebieden met veel materie is dit effect sterker dan in gebieden met weinig materie. In superholtes is de lensing juist zwak of zelfs omgekeerd (zogeheten “divergente lensing”). Door subtiele vervormingen in de vormen van verre sterrenstelsels statistisch te analyseren, kunnen astronomen afleiden waar zich grote onderdichtheden in materie bevinden, zelfs als daar nauwelijks zichtbare sterrenstelsels zijn.
