We zouden ze niet direct kunnen zien, maar ze kunnen er wel zijn. ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel
Donkere materie is een spookachtige substantie die astronomen al tientallen jaren niet hebben kunnen ontdekken, maar waarvan we weten dat het een enorme invloed heeft op normale materie in het heelal, zoals sterren en sterrenstelsels. Door de enorme zwaartekracht die het uitoefent op sterrenstelsels, laat het ze ronddraaien, geeft het ze een extra zetje langs hun baan, of scheurt het ze zelfs uit elkaar.
Als een kosmische carnavalsspiegel buigt hij ook het licht van verre objecten af om vervormde of meervoudige beelden te creëren, een proces dat gravitationele lensvorming wordt genoemd.
En recent onderzoek suggereert dat het nog meer drama kan veroorzaken, door sterren te produceren die exploderen.
Ondanks alle ravage die het aanricht in sterrenstelsels, is er niet veel bekend over of donkere materie met zichzelf kan interageren, anders dan door zwaartekracht. Als het andere krachten ervaart, moeten die erg zwak zijn, anders zouden ze wel gemeten zijn.
Een mogelijke kandidaat voor een donkere materie deeltje, bestaande uit een hypothetische klasse van zwak interacterende massieve deeltjes (of WIMPs), is intensief bestudeerd, tot nu toe zonder observationeel bewijs.
Recentelijk zijn andere soorten deeltjes, die ook zwak interageren maar extreem licht zijn, in het middelpunt van de belangstelling komen te staan. Deze deeltjes, axionen genoemd, werden voor het eerst voorgesteld aan het eind van de jaren 1970 om een kwantumprobleem op te lossen, maar ze passen mogelijk ook in het plaatje van donkere materie.
In tegenstelling tot WIMP’s, die niet aan elkaar kunnen “plakken” om kleine objecten te vormen, kunnen axionen dat wel. Omdat ze zo licht zijn, zou een enorm aantal axionen alle donkere materie moeten verklaren, wat betekent dat ze bij elkaar gepropt zouden moeten worden. Maar omdat ze een type subatomair deeltje zijn dat bekend staat als een boson, vinden ze dat niet erg.
Berekeningen tonen zelfs aan dat axionen zo dicht op elkaar gepakt zouden kunnen worden dat ze zich vreemd gaan gedragen – collectief als een golf – volgens de regels van de kwantummechanica, de theorie die de microwereld van atomen en deeltjes beheerst. Deze toestand wordt een Bose-Einstein condensaat genoemd en kan axionen onverwacht in staat stellen om zelf “sterren” te vormen.
Dit zou gebeuren als de golf op zichzelf beweegt, en wat natuurkundigen een “soliton” noemen vormt, wat een gelokaliseerd klompje energie is dat kan bewegen zonder vervormd of verspreid te worden. Dit wordt op Aarde vaak gezien in draaikolken en draaikolken, of de bellenringen waar dolfijnen onder water van genieten.
De nieuwe studie geeft berekeningen die laten zien dat zulke solitonen uiteindelijk groter zouden worden en een ster zouden worden, vergelijkbaar in grootte met, of groter dan, een normale ster. Maar uiteindelijk worden ze onstabiel en exploderen ze.
De energie die vrijkomt bij zo’n explosie (een “bosenova” genoemd) zou die van een supernova (een exploderende normale ster) evenaren. Gezien het feit dat donkere materie veel groter is dan de zichtbare materie in het universum, zou dit zeker een teken achterlaten in onze waarnemingen van de hemel. Dergelijke littekens hebben we nog niet gevonden, maar de nieuwe studie geeft ons iets om naar uit te kijken.
Een observationele test
De onderzoekers achter het onderzoek zeggen dat het omringende gas, dat uit normale materie bestaat, deze extra energie van de explosie zou absorberen en een deel ervan terug zou uitzenden. Omdat het grootste deel van dit gas uit waterstof bestaat, weten we dat dit licht in radiofrequenties zou moeten zijn.
Opwindend genoeg kunnen toekomstige waarnemingen met de Square Kilometre Array radiotelescoop het misschien oppikken.
Artist’s impression van de SKA telescoop.
wikipedia, CC BY-SA
Hoewel het vuurwerk van donkere sterexplosies voor ons verborgen blijft, kunnen we de nasleep ervan misschien wel terugvinden in de zichtbare materie. Het mooie hiervan is dat zo’n ontdekking ons zou helpen uit te zoeken waar donkere materie eigenlijk van gemaakt is – in dit geval waarschijnlijk axionen.
Wat als waarnemingen het voorspelde signaal niet detecteren? Dat zal deze theorie waarschijnlijk niet helemaal uitsluiten, omdat andere “axion-achtige” deeltjes nog steeds mogelijk zijn. Een mislukte detectie kan er echter wel op wijzen dat de massa’s van deze deeltjes heel anders zijn, of dat ze niet zo sterk met straling paren als we dachten.
In feite is dit al eerder gebeurd. Oorspronkelijk dacht men dat axionen zo sterk zouden paren dat ze in staat zouden zijn om het gas binnenin sterren af te koelen. Maar omdat modellen van sterrenkoeling lieten zien dat sterren prima zonder dit mechanisme konden, moest de sterkte van de axionkoppeling lager zijn dan oorspronkelijk werd aangenomen.
Natuurlijk is er geen garantie dat donkere materie uit axionen bestaat. WIMP’s zijn nog steeds kanshebbers in deze race, en er zijn ook andere.
Overigens suggereren sommige studies dat WIMP-achtige donkere materie ook “donkere sterren” kan vormen. In dit geval zouden de sterren nog steeds normaal zijn (gemaakt van waterstof en helium), met donkere materie die ze alleen maar aandrijft.
Er wordt voorspeld dat deze door WIMP’s aangedreven donkere sterren superzwaar zijn en slechts een korte tijd in het vroege heelal leven. Maar ze zouden kunnen worden waargenomen door de James Webb ruimtetelescoop. Een recente studie heeft drie van zulke ontdekkingen geclaimd, hoewel het nog maar de vraag is of dat echt zo is.
Niettemin groeit de opwinding over axionen en zijn er veel plannen om ze te detecteren. Er wordt bijvoorbeeld verwacht dat axionen zich omzetten in fotonen als ze door een magnetisch veld gaan, dus waarnemingen van fotonen met een bepaalde energie zijn gericht op sterren met magnetische velden, zoals neutronensterren, of zelfs de zon.
Op theoretisch gebied wordt geprobeerd om de voorspellingen te verfijnen over hoe het universum eruit zou zien met verschillende soorten donkere materie. Axionen kunnen bijvoorbeeld worden onderscheiden van WIMP’s door de manier waarop ze het licht afbuigen door gravitationele lensvorming.
Met betere waarnemingen en theorie hopen we dat het mysterie van donkere materie snel zal worden ontsluierd.
Andreea Font werkt niet voor, heeft geen adviesfuncties, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat zouden hebben bij dit artikel en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten haar academische aanstelling.