Melkweg boven zandduinen in Cervantes, Australië. Nik Coli/Shutterstock
Het Europees Ruimteagentschap (Esa) heeft onlangs een nieuwe missie van zijn wetenschapsprogramma aangekondigd: een kleine telescoop in een baan om de aarde met de naam Arrakhis. Maar hoewel de naam is geïnspireerd op de sciencefictionroman Dune, zal hij niet op zoek gaan naar zandwormen of “kruiden” op een woestijnplaneet.
Deze behendige satelliet zal veel meer doen dan zijn gewicht en proberen een van de meest ongrijpbare en mysterieuze stoffen in het heelal op te sporen: donkere materie. Dit is de term die gegeven wordt aan de hypothetische onzichtbare materie waarvan gedacht wordt dat die overvloediger is dan normale materie en een vergelijkbaar gravitatie-effect heeft op zijn omgeving.
De missie is geclassificeerd als snel (F), wat betekent dat zij kleiner en gerichter is en een snellere doorlooptijd heeft (minder dan tien jaar tot de lancering) dan andere soorten Esa-missies. De vorige F-missie van het agentschap, geselecteerd in 2019, heet de Comet Interceptor. Deze sonde staat al geparkeerd op een stabiel punt in het zonnestelsel en wacht op een komeet die hem voorbijvliegt, iets wat moet gebeuren rond de tijd dat Arrakhis begin 2030 wordt gelanceerd.
Volg het licht
Omdat donkere materie nog steeds niet kan worden ontdekt, zal de missie zich richten op lichtbronnen die er gevoelig voor zijn. We verwachten dat normale materie – het spul dat daadwerkelijk licht uitzendt, zoals sterren in sterrenstelsels – vooral beweegt onder invloed van donkere materie, die overvloediger aanwezig is.
Wij denken dat hele sterrenstelsels heen en weer worden bewogen door de onderliggende donkere materie, als bakens verspreid over een onzichtbare oceaan. Hun vaart is echter hobbelig, omdat donkere materie vermoedelijk ongelijkmatig over het heelal is verdeeld, een “kosmisch web” vormt over enorme afstanden, en een meer klonterig uiterlijk heeft op melkwegschalen. Sommige van deze klonten zouden bevolkt moeten zijn met kleine sterrenstelsels, dwergstelsels genaamd, terwijl andere volledig uit donkere materie zouden bestaan.
Er is ook puin over van die dwergstelsels die zich te dicht bij de gastheerstelsels wagen waar zij omheen draaien. Als de omringende donkere materie deze sterrenstelsels uit elkaar trekt door de zwaartekracht, beginnen ze zich te ontrafelen tot lange stromen van sterren die zich om uitgestrekte delen van de ruimte wikkelen. Deze dunne lichtsluiers zijn een andere verbinding met het onzichtbare. Door hun vormen te tellen en te meten, kunnen we afleiden uit wat voor soort deeltjes donkere materie bestaat – en uiteindelijk welk kosmologisch model het meest accuraat is.
Net als de Melkweg herbergt het sterrenstelsel NGC 5907 zwakke stromen van sterren die zich overal omheen wikkelen.
wikipedia/R Jay Gabany (Blackbird Observatory) – samenwerking; D.Martinez-Delgado(IAC, MPIA), J.Penarrubia (U.Victoria) I. Trujillo (IAC) S.Majewski (U.Virginia), M.Pohlen (Cardiff)., CC BY-SA
De klontervorming in de ruimte is een robuuste voorspelling van onze kosmologische modellen, omdat het simpelweg het resultaat is van de zwaartekracht die op materie inwerkt. Onze modellen geven echter tegenstrijdige voorspellingen over het aantal van deze klonten, die hoger of lager zouden kunnen zijn, afhankelijk van uit welk type deeltje of deeltjes we aannemen dat donkere materie bestaat.
In het “standaard” model van de kosmologie wordt aangenomen dat donkere materie deeltjes “koud” zijn, wat betekent dat ze zwaar zijn en langzaam bewegen (een voorbeeld zou zijn “zwak interagerende massieve deeltjes”, of Wimps). Dit impliceert dat onze Melkweg honderden donkere materie klonten zal bevatten, waarvan sommige dwergstelsels. Maar het probleem is dat we slechts enkele tientallen dwergstelsels om ons heen zien, wat zeer raadselachtig is. Het zou kunnen betekenen dat de meeste van deze klonten uit donkere materie bestaan.
Kosmologen hebben echter andere levensvatbare ideeën. Bijvoorbeeld, als donkere materie “warm” is – wat betekent dat de deeltjes veel lichter en sneller zijn, zoals steriele neutrino’s – zouden er veel minder klonten zijn om mee te beginnen. Waarnemingen kunnen ons de uiteindelijke aanwijzing geven welk model juist is, maar daarvoor hebben we eerst een nauwkeurige telling nodig van dwergstelsels die om de Melkweg draaien.
Het topje van de ijsberg
Er zijn sterke aanwijzingen dat de dwergstelsels die tot nu toe zijn ontdekt in de buurt van de Melkweg of andere grote sterrenstelsels slechts het topje van de ijsberg zijn, en dat er nog veel meer verborgen blijven achter het licht van hun gastheren. Arrakhis zal deze ontbrekende populatie zelfs op grote afstanden van ons kunnen ontdekken.
Een sterrenstelsel gesimuleerd met koude donkere materie (links) versus warme donkere materie (rechts). Er zijn veel meer klonten koude donkere materie die dwergstelsels kunnen herbergen dan warme donkere materie.
Aquarius/Virgo/ICC Durham University., CC BY-NC-ND
Het waarnemen van dit zwakke sterlicht is zelfs voor de grootste telescopen op aarde een uitdaging gebleken, omdat het zeer diepe beeldvorming en onderzoek van grote delen van de hemel vereist. Bovendien vormt de aardatmosfeer een belemmering. Arrakhis zal vanuit de ruimte waarnemen met een innovatieve camera die zowel in het optische als in het nabij-infrarode deel van het spectrum dieper kijkt, en met een veel groter gezichtsveld. (Overigens kan dit type camera ook met een uitstekende resolutie terugkijken naar de aarde).
De ongeveer honderd melkwegachtige stelsels die zullen worden waargenomen bevinden zich op ongeveer 100 miljoen lichtjaar afstand, waar tot nu toe slechts enkele dwergstelsels zijn ontdekt, en nog geen stellaire stromen. Als we het aantal binnenkort te ontdekken dwergstelsels kennen en weten hoe ze in de ruimte verdeeld zijn, zouden we het juiste kosmologische model moeten kunnen vaststellen.
Arrakhis zal veel van de ontbrekende stukjes in de puzzel vinden die donkere materie biedt, als aanvulling op wat we al weten van het nabije heelal en wat we in de toekomst zullen leren van andere aankomende telescopen, zoals Euclides of het Vera Rubin Observatorium.
De hoop is dat deze gedetailleerde, gecombineerde waarnemingen eindelijk het mysterie van de donkere materie zullen onthullen, en ons zullen helpen begrijpen waaruit de meerderheid van de materie in de kosmos bestaat.
Andreea Font werkt niet voor, geeft geen advies aan, heeft geen aandelen in of ontvangt geen financiering van een bedrijf of organisatie die baat heeft bij dit artikel, en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten haar academische aanstelling.
