Historische context en recente ontwikkelingen
Het ruimtetelescoop Fermi van NASA, die gespecialiseerd is in gamma-straling, zou mogelijk voor het eerst tastbare bewijzen hebben geleverd voor het bestaan van donkere materie. Deze onzichtbare substantie is voor zover bekend nog nooit rechtstreeks waargenomen. Ter herinnering: in het begin van de jaren dertig observeerde de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky dat sterrenstelsels zich bevonden in beweging met snelheden die volgens de bekende massa onvoldoende zouden moeten kunnen ondersteunen. Hieruit leidde hij af dat er een onzichtbare structuur — de donkere materie — moest bestaan die de boel bij elkaar hield.
Van theorie naar mogelijke observatie
Bijna hundert jaar later lijkt een team van onderzoekers van de Universiteit van Tokio (Japan) bewijs te hebben gevonden dat deze hypothese kan bevestigen. Deze bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift ‘Journal of Cosmology and Astroparticle Physics’.
Donkere materie bleef desondanks lang in het universum een mysterie. Tot nu toe was het voor wetenschappers alleen mogelijk om haar indirect te detecteren door haar invloed op de zichtbare materie, zoals de kracht die nodig is om sterrenstelsels bijeen te houden door middel van zwaartekracht. Directe observatie wordt gehinderd doordat de deeltjes die de materie vormen geen interactie vertonen met het electromagnetisch veld. Ze absorberen of reflecteren geen licht en zenden ook geen eigen straling uit.
Theorieën over de samenstelling van donkere materie
Het staat vast dat er meerdere theorieën bestaan over de aard van donkere materie. Een gangbare hypothese stelt dat het bestaat uit massieve, zwak interacterende deeltjes, bekend als WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles). Deze zijn zwaarder dan protonen, maar interageren slechts in zeer geringe mate met de materie. Tijdens botsingen tussen WIMP’s wordt voorspeld dat beide deeltjes zullen annihileren, waarbij nieuwe deeltjes vrijkomen, waaronder gamma-stralen.
De zoektocht richt zich onder andere op gebieden waar zich veel donkere materie bevindt, zoals het centrum van ons melkwegstelsel. Daar worden astronomische observaties ingezet om de karakteristieke gamma-straling te detecteren die volgens theorieën kan ontstaan door WIMP-annihilaties. Recentelijk contacteerde professor Tomonori Totani, verbonden aan de afdeling Astronomie van de Universiteit van Tokio, het bewijs voor dergelijke straling.
Waarneming van gamma-straling
Totani en zijn team rapporteerden dat zij gamma-straling met een foton-energie van ongeveer 20 giga-electronvolt hebben gedetecteerd. Deze straling vertoont een halo-achtige structuur die zich uitstrekt richting het centrum van de melkweg. De emissiepatronen lijken overeen te komen met de voorspellingen over de verdeling van donkere materie in het halo van ons sterrenstelsel, aldus de onderzoeker.
Het gemeten energiebereik, dat binnen de banden van de verwachte sigatuur van WIMP-annihilaties ligt, correspondeert met een massa van circa 500 keer die van een proton. De frequentie van de geobserveerde gebeurtenissen past binnen de grenzen van de theoretische voorspellingen.
Verder lijken deze gamma-gegevens niet te kunnen worden verklaard door gangbare astronomische fenomenen of door andere vormen van gamma-emissie. Totani en zijn team menen daarom dat deze waarnemingen een sterk bewijs vormen voor gamma-straling voortkomend uit donkere materie, en dit zou een historisch moment zijn in de astronomie en de deeltjesfysica.
Implicaties en verdere stappen
Totani benadrukt dat, voor zover bekend, dit mogelijk de eerste ‘zichtbaarheid’ van donkere materie zou kunnen betekenen. De betrokken deeltjes blijken niet te passen binnen het standaard model van de partijkarakteristieken. Dit zou een grote stap betekenen voor de wetenschappen.
Hij erkent echter dat de resultaten nog door andere onderzoekers bevestigd moeten worden via onafhankelijke analyses. Zelfs bij bevestiging moeten extra bewijzen aantonen dat de waargenomen halo-achtige straling daadwerkelijk door de annihilatie van donkere materiedeeltjes komt en niet door andere astronomische bronnen.
Meer onderzoek op locaties met hoge dichtheid aan donkere materie, zoals in bijvoorbeeld andere sterrenstelsels en in de halo van de melkweg, zou deze bevindingen kunnen versterken. Het detecteren van gamma-straling met dezelfde energie in sterrenstelsels binnen de halo zou bijvoorbeeld de interpretatie ondersteunen.
Totani concludeert dat het verzamelen van meer data deze line of research kan voorzien van nog verder bewijs dat de herschreven gamma-emissies daadwerkelijk het resultaat zijn van WIMP- annihilaties. Dit zou de theoretische modellen aanzienlijk kunnen verfijnen of bevestigen.
