In februari 2016 schreven wetenschappers die voor het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) werkten geschiedenis toen ze de allereerste detectie van gravitatiegolven aankondigden. Sinds die tijd hebben meerdere detecties plaatsgevonden en wetenschappelijke samenwerkingen tussen observatoria - zoals Advanced LIGO en Advanced Virgo - zorgen voor ongekende niveaus van gevoeligheid en het delen van gegevens.
Deze gebeurtenis bevestigde niet alleen een eeuwenoude voorspelling van Einstein's Theory of General Relativity, het leidde ook tot een revolutie in de astronomie. Het prikkelde ook de hoop van sommige wetenschappers die geloofden dat zwarte gaten de "ontbrekende massa" van het universum zouden kunnen verklaren. Helaas heeft een nieuwe studie door een team van UC Berkeley-natuurkundigen aangetoond dat zwarte gaten niet de lang gezochte bron van Dark Matter zijn.
Hun studie, "Limits on Stellar-Mass Compact Objects as Dark Matter from Gravitational Lensing of Type Ia Supernovae", verscheen onlangs in de Fysieke beoordelingsbrieven. De studie werd geleid door Miguel Zumalacarregu, een Marie Curie Global Fellow bij het Berkeley Center for Cosmological Physics (BCCP), met de steun van Uros Seljak - een professor in de kosmologie en de mededirecteur van de BCCP.
Simpel gezegd, Dark Matter blijft een van de meest ongrijpbare en lastige mysteries waarmee astronomen tegenwoordig worden geconfronteerd. Ondanks het feit dat het 84,5% van de materie in het heelal omvat, zijn alle pogingen om het te ontdekken tot dusver mislukt. Er zijn veel kandidaten voorgesteld, variërend van ultralichte deeltjes (axions) tot Weakly-Interacting Massive Particles (WIMPS) en Massive Compact Halo Objects (MACHO's).
Deze kandidaten variëren echter in massa in een volgorde van 90, die verschillende theoretici hebben geprobeerd op te lossen door te stellen dat er meerdere soorten donkere materie kunnen zijn. Dit vereist echter verschillende verklaringen voor hun oorsprong, wat de kosmologische modellen alleen maar verder zou compliceren. Zoals Miguel Zumalacárregui uitlegde in een recent persbericht van UC Berkeley:
'Ik kan me voorstellen dat het twee soorten zwarte gaten zijn, zeer zware en zeer lichte, of zwarte gaten en nieuwe deeltjes. Maar in dat geval is een van de componenten ordes van grootte zwaarder dan de andere, en ze moeten in vergelijkbare overvloed worden geproduceerd. We zouden van iets astrofysisch gaan naar iets dat echt microscopisch klein is, misschien zelfs het lichtste in het universum, en dat zou heel moeilijk uit te leggen zijn. '
Omwille van hun studie voerde het team een statistische analyse uit van 740 van de helderste supernova's die waren ontdekt (vanaf 2014) om te bepalen of een van hen was vergroot of opgehelderd door de aanwezigheid van een tussenliggend zwart gat. Dit fenomeen, waarbij de zwaartekracht van een groot object het licht van verder weg gelegen objecten vergroot, staat bekend als "zwaartekrachtlensing".
Kortom, als zwarte gaten de dominante vorm van materie in het universum waren, dan zouden door zwaartekracht vergrote supernova's vrij vaak voorkomen vanwege primordiale zwarte gaten. Aangenomen wordt dat deze hypothetische vormen van zwart gat zich in de eerste paar milliseconden na de oerknal hebben gevormd in delen van het heelal waar massa was geconcentreerd op tientallen of honderden zonsmassa's, waardoor de vroegste zwarte gaten ontstonden.
De aanwezigheid van deze populatie van zwarte gaten, evenals alle enorme compacte objecten, zou het licht van verre objecten op weg naar de aarde door zwaartekracht buigen en vergroten. Dit zou vooral het geval zijn bij verre supernova's van het type Ia, die astronomen al decennia lang gebruiken als de standaard helderheidsbron voor het meten van kosmische afstanden en de snelheid waarmee het heelal zich uitbreidt.
Na een complexe statistische analyse van gegevens over de helderheid en afstand van 740 supernova's - 580 in de Unie en 740 in de Joint Light-curve Analysis (JLA) -catalogi, heeft het team echter geconcludeerd dat acht van de supernova's door een enkele tienden van een procent dan wat historisch is waargenomen. Een dergelijke verheldering werd echter niet waargenomen, zelfs niet als er rekening werd gehouden met zwarte gaten met een lage massa.
"Je kunt dit effect niet zien op één supernova, maar als je ze allemaal samenvoegt en een volledige Bayesiaanse analyse uitvoert, begin je zeer sterke beperkingen op te leggen aan de donkere materie, omdat elke supernova telt en je hebt er zoveel", zei Zumalacárregui.
Uit hun analyse concludeerden ze dat zwarte gaten niet meer dan ongeveer 40% van de donkere materie in het heelal kunnen uitmaken. Na het opnemen van 1048 meer heldere supernova's uit de Pantheon-catalogus (en op grotere afstanden), werden de beperkingen nog strenger. Met deze tweede dataset behaalden ze een nog lagere bovengrens - 23% - dan in hun oorspronkelijke analyse.
Deze resultaten suggereren dat geen van de donkere materie van het heelal bestaat uit zware zwarte gaten of vergelijkbare massieve objecten zoals MACHO's. 'We zijn terug bij de standaarddiscussies', zei Seljak. 'Wat is donkere materie? We hebben inderdaad geen goede opties meer. Dit is een uitdaging voor toekomstige generaties. ”
Deze studie was gebaseerd op eerder onderzoek dat Seljak eind jaren negentig deed, toen wetenschappers MACHO's en andere massieve objecten als een mogelijke bron van donkere materie beschouwden. De studie was echter beperkt vanwege het feit dat slechts een klein aantal verre Type Ia supernova's was ontdekt of dat hun afstanden destijds waren gemeten.
Bovendien verschoof de zoektocht naar Dark Matter kort daarna van grote objecten naar fundamentele deeltjes (zoals WIMP's). Als gevolg hiervan zijn er geen plannen voor vervolgonderzoek uitgekomen. Maar dankzij de LIGO-waarnemingen van zwaartekrachtgolven kwam de mogelijke verbinding tussen zwarte gaten en donkere materie opnieuw naar voren en inspireerde Seljak en Zumalacárregui om hun analyse uit te voeren.
"Wat intrigerend was, is dat de massa's van de zwarte gaten in het LIGO-evenement juist waren waar zwarte gaten nog niet waren uitgesloten als donkere materie", zei Seljak. 'Dat was een interessant toeval waar iedereen enthousiast van werd. Maar het was toeval. '
De theorie van de donkere materie werd officieel aangenomen in de jaren '70, tijdens de 'Gouden Eeuw van de Relativiteit', om rekening te houden met de verschillen tussen de schijnbare massa van objecten in het heelal en hun waargenomen zwaartekrachtseffecten. Het lijkt erop dat we een halve eeuw later nog steeds proberen deze mysterieuze, onzichtbare massa op te sporen. Maar bij elke studie worden er bijkomende beperkingen opgelegd aan Dark Matter en worden mogelijke kandidaten geëlimineerd.
Na verloop van tijd kunnen we dit kosmologische mysterie misschien ontrafelen en een stap dichterbij komen om te begrijpen hoe het universum is gevormd en geëvolueerd.
