Detectives van donkere materie weten amper iets van donkere materie, maar nu weten ze dit: het gedraagt zich anders aan de randen van oude sterrenstelsels dan in nieuwe.
Donkere materie is het spul dat we niet kunnen zien in het universum. Het vormt het grootste deel van de massa in het universum, maar zendt geen licht uit. Het trekt echter alles met zwaartekracht aan. Alles in het universum doet alsof het wordt aangetrokken door grote zware wolken van iets dat we niet kunnen zien. Astronomen weten gewoon niet precies wat dat is.
Een nieuw artikel, gepubliceerd op 3 januari in het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, helpt het echter te beperken.
Het grootste deel van de donkere materie waarvan wetenschappers zich bewust zijn, bestaat in 'halo's' of wolken in sterrenstelsels. Maar er is een probleem: die kernen gedragen zich niet zoals ze zouden moeten, volgens computersimulaties.
Wanneer onderzoekers het gedrag van halo's van donkere materie modelleren, vormen deze structuren meestal bepaalde vormen: dichte ballen van donkere materie in de centra van de sterrenstelsels, omringd door troebele slierten van het spul. Astronomen noemen dit de "cusp" -verdeling van donkere materie. Maar in werkelijkheid gedragen veel sterrenstelsels zich alsof hun donkere materie in een baan om de buitenste regionen van de melkweg draait en een 'kern' omringt die min of meer leeg is van het ongeziene materiaal. Astronomen noemen deze discrepantie het 'knobbelkern'-probleem.
De populaire verklaring voor het knelpuntprobleem, het "Self Interacting Dark Matter" (SIDM) -model genoemd, suggereert dat donkere materie niet alleen volledig buiten de fysica bestaat die we direct kunnen detecteren en begrijpen, maar ook werkt op zichzelf met onbekende krachten. Als de interacties van donkere materie met zichzelf verschillen van de interacties met gewone materie, zou dat kunnen verklaren hoe het erin slaagt om vanuit de centra van sterrenstelsels naar hun randen te reizen.
Maar deze verklaring is misschien te ingewikkeld, suggereert de nieuwe studie.
Een andere kracht zou donkere materie uit het centrum van sterrenstelsels kunnen schuiven: verwarming van donkere materie. Dat verwijst naar intense energie en wind van stervorming die donkere materie uit de centra van sterrenstelsels duwt (waar de meeste nieuwe sterren ontstaan). Maar er is weinig direct bewijs voor dit fenomeen, en zelfs als dat zo was, is het niet duidelijk of een dergelijke verwarming krachtig genoeg zou zijn om de discrepantie tussen de modellen van de verdeling van donkere materie en de waarnemingen te verklaren.
Dit nieuwe artikel suggereert echter dat verhitting van donkere materie de juiste verklaring is.
De auteurs bestudeerden 16 dwergstelsels die grofweg in twee categorieën zijn onderverdeeld: sterrenstelsels die miljarden jaren geleden zijn gestopt met het vormen van sterren, en sterrenstelsels die recentelijk zijn gestopt met het vormen van sterren of die nog steeds sterren vormen.
De onderzoekers ontdekten dat de oudere, minder actieve sterrenstelsels de neiging hadden om donkere materie te hebben - gebieden in hun centra met veel donkere materie. Actievere sterrenstelsels hadden meestal lege kernen.
De nieuwe bevindingen suggereren dat verwarming van donkere materie echt is en een belangrijke rol speelt in hoe donkere materie zich gedraagt, schreven de onderzoekers. Sterrenstelsels die lang geleden stopten met het vormen van sterren, hadden ook minder energie om donkere materie uit het galactische centrum te duwen. In die gevallen gedroeg donkere materie zich zoals eenvoudige modellen voorspellen. Actievere stervormende sterrenstelsels hadden meer verhitting en daardoor week de donkere materie daar af van de modellen.
Als deze bevinding juist is, verkleint het de mogelijkheden van wat donkere materie zou kunnen zijn, maar niet dramatisch: het moet gewoon iets zijn dat uit het centrum van een sterrenstelsel zou worden geblazen met veel nieuwe sterren. En dit resultaat kan betekenen dat het niet nodig is om allerlei bizarre eigenschappen van donkere materie voor te stellen om uit te leggen hoe de stof zich gedraagt.
Toch is nog niets zeker. De onderzoekers erkenden in hun paper dat ze vertrouwden op methoden voor het simuleren van donkere materie die enige kritiek hebben gekregen. Er zouden andere sterrenstelsels kunnen zijn met eigenschappen ergens tussen de knobbels en kernmodellen, wat de nieuwe bevindingen ingewikkelder zou maken.
Maar voorlopig kunnen rechercheurs van donkere materie nog een stukje bewijsmateriaal op hun prikborden plakken dat met rode koordjes bedekt is.
