Exotische theorieën over donkere materie. Als je een fan bent van alle geweldige dingen in het universum, dan is dit artikel iets voor jou.
De meeste inhoud van ons universum heeft een vorm die voor de natuurkunde volkomen onbekend is. Dat is gewoon een rauw feit waar we allemaal aan zullen moeten wennen. Als je in de verleiding komt te denken dat het gewoon een soort van iskosmologisch probleem, een probleem dat alleen op de allerhoogste schaal voorkomt, dan heb ik slecht nieuws voor je. Een van deze mysterieuze componenten van de kosmos is - voor zover we weten - een vorm van materie.
Maar niet zomaar een vorm van materie, anders hadden we het inmiddels wel gezien. Nee, we denken dat het een soort isdonker er toe doen; kwestie die gewoon geen interactie heeft met licht. Geen uitstoot. Geen opname. Geen verstrooiing. Niets. En het feit dat donkere materie bestaat, mag dat niet zijndat verrassend, toch? Immers, wie dicteerde dat alles in het universummoet interactie met licht?
Niemand deed het, en hier zijn we dan. Als je naar een willekeurig sterrenstelsel kijkt, vertegenwoordigen de dingen die oplichten - sterren, nevels, enz. - slechts een klein deel van de totale hoeveelheid massa in dat sterrenstelsel. De exacte verhouding tussen 'normale' materie en de donkere materie hangt af van veel factoren, zoals de geschiedenis van de vorming van de melkweg. Maar over het algemeen geldt dat hoe kleiner de melkweg, hoe meer deze wordt gedomineerd door donkere materie.
De kleinste sterrenstelsels, ook wel dwergstelsels genoemd, zouden een handig laboratorium kunnen zijn voor het bestuderen van donkere materie. In deze sterrenstelsels is donkere materie vrij om te doen wat donkere materie doet zonder dat vervelende licht-interactie-materie om de zaken echt ingewikkelder te maken. Als donkere materie iets vreemds doet (nou ja, vreemder dan simpelweg bestaand), zoals interactie met zichzelf via de zwakke kernkracht, of samengesteld is uit meerdere soorten exotische deeltjes, dan zullen alle effecten zichzelf meer uitgesproken maken in een dwergstelsel dan zoiets als De melkweg.
Dit is allemaal geweldig en goed, behalve het kleine voorbehoud dat hoewel al deze interessante fysica onder de motorkap gebeurt, het voor ons moeilijk is om het te zien. Omdat het donker is.
Een van de vele dingen die we niet begrijpen over donkere materie, is hoe het zich gedraagt in de kernen van sterrenstelsels. Simpele simulaties van de evolutie van sterrenstelsels voorspellen iets dat een "knobbeltje" wordt genoemd - een harde noot van ongelooflijk hoge dichtheid die in het verder romige centrum van een sterrenstelsel zit. Maar waarnemingen maken dit niet duidelijk: er zouden veel sterren moeten zijn die de zwaartekrachtinvloed van al die donkere materie volgen. En er zijn zeker veel sterren in het centrum van een sterrenstelsel, maar nietdat veel.
Iets moet de centrale donkere materie gladstrijken. Het kunnen exotische interacties zijn in de donkere materie zelf. Het kunnen meer alledaagse oorzaken zijn, zoals supernovae winden die het gas uitblazen. Het kan beide zijn, of geen van beide.
Astronomen zijn heel erg geïnteresseerd in de kernen van sterrenstelsels, en met name dwergstelsels, omdat ze daar mogelijk veel kunnen leren over donkere materie. En ondanks hun ingewikkelde, rommelige fysica, hebben we nog steeds sterren en gas nodig om de dwergstelsels te observeren, te onderzoeken en te bestuderen, in de hoop dat we het gedrag van de onderliggende donkere materie kunnen traceren. Maar dwergstelsels zijn ver weg, vaag en klein - en hun kernen nog meer.
Hoe zouden we er ooit in kunnen kijken?
Gelukkig hebben sterrenstelsels meer dan stellaire burgers. Ze hebben ook zwarte gaten. Gigantische superzware in hun kernen en miljoenen kleinere zweven erin. En het feit dat gigantische zwarte gaten de neiging hebben om samen te komen in de kernen van hun gaststelsels, kan nuttig zijn. Dus misschien - werk hier met mij - als we op de een of andere manier het gedrag van de zwarte gaten in dwergstelsels zouden kunnen bestuderen, zouden we misschien wat aanwijzingen kunnen krijgen over de aard van donkere materie.
Maar zwarte gaten zijn ook zwart en moeilijk te zien. En klein. En ver weg. Gelukkig hoeven we geen zwarte gaten te zien - we kunnen ze horen.
Wanneer zwarte gaten botsen, trillen en vervormen ze het weefsel van de ruimtetijd zo sterk dat ze golven veroorzaken, zoals rimpelingen die zich verspreiden van een zware steen die in het water is gevallen. Deze zwaartekrachtsgolven verspreiden zich door de ruimte met de snelheid van het licht, en strekken zich steeds een beetje uit en persen tussenliggende materie terwijl ze voorbijspoelen. In feite wordt je lichaam, terwijl je dit leest, getrokken en geperst als een stuk stopverf van de talloze zwaartekrachtgolven die door de aarde gaan.
Deze zwaartekrachtsgolven zijn waanzinnig moeilijk te detecteren, en daarom kregen de eerste mensen die ze meten een aantal Nobelprijzen voor hun decennialange inspanning om interfererende lichtbundels te gebruiken om het subtiele signaal op te vangen.
Maar onze drie zwaartekrachtsgolfobservatoria op het aardoppervlak kunnen ons niet helpen met ons zwarte gat-binnen-dwerg-melkwegstelsel-om-donkere materie te bestuderen. Die zwarte gaten - bekend alsmiddelzware zwarte gaten - zijn te klein om een waarneembaar signaal hier in de Melkweg te maken wanneer ze samenvloeien.
Maar een zwaartekrachtswacht in de ruimte zou dat wel kunnen. De voorgestelde LISA-missie (die staat voor, zoals je misschien al geraden had, Laser Interferometer Space Antenna) heeft misschien de juiste gevoeligheid om het signaal te zien van het samenvoegen van middelgrote zwarte gaten, net zoals die in de harten van dwergstelsels.
En volgens een nieuw artikel dat onlangs is geaccepteerd door de Astrophysical Journal Letters onder leiding van Tomas Tomfal van de Universiteit van Zürich, kunnen verschillende modellen van donkere materie (en de mogelijke interacties met de normale lichtminnende materie) van invloed zijn op hoe vaak en hoe snel de zwarte gaten in dwergstelsels versmelten, iets dat LISA mogelijk uit elkaar kan halen.
Het is een omweg om donkere materie te begrijpen, maar in een probleem dat zo vervelend is, is het een veelbelovend probleem.
Lees meer: "Vorming van LISA Black Hole-binaries in samengevoegde dwergstelsels: de afdruk van donkere materie"
