Astronomen zoeken er al bijna een eeuw naar: het bewijs van donkere materie. Een Japanse sterrenkundige zegt het nu gevonden te hebben in de vorm van gammastraling, maar zeker is het nog allerminst.
Bijna honderd jaar geleden merkte de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky iets op dat niet klopte: sterrenstelsels bewogen veel sneller dan hun zichtbare massa toeliet. Er moest dus iets onzichtbaars zijn dat ze bijeenhield. Dat iets werd donkere materie genoemd, een mysterieuze substantie die niet te zien is, maar volgens theorieën wel ruim 80 procent van alle materie in het universum vormt.
Nu denken wetenschappers dat onzichtbare materiaal voor het eerst direct te hebben waargenomen. Met behulp van de Fermi-telescoop van NASA heeft de Japanse astronoom Tomonori Totani een gammasignaal gevonden dat vrijwel perfect overeenkomt met wat modellen al decennia voorspellen. En dat zou een doorbraak van kosmische proporties zijn.
Wat maakt donkere materie zo… donker?
Donkere materie blijft een van de grootste raadsels uit de astronomie. We weten dat het bestaat omdat het zwaartekracht uitoefent – genoeg om sterrenstelsels bij elkaar te houden – maar we kunnen het niet rechtstreeks detecteren. Deeltjes van donkere materie reageren namelijk niet op elektromagnetische krachten: ze geven geen licht, absorberen geen licht en weerkaatsen het ook niet. Kortom, ze zijn voor onze telescopen onzichtbaar.
Voor zover we weten, zou donkere materie kunnen bestaan uit zogeheten WIMP’s: weakly interacting massive particles. Deze hypothetische deeltjes zijn veel zwaarder dan protonen, maar botsen nauwelijks met gewone materie. Toch voorspellen modellen dat wanneer twee WIMP’s wel met elkaar in aanraking komen, ze elkaar vernietigen. Daarbij zouden ze andere deeltjes vrijlaten, waaronder gammastraling. Astronomen speuren daarom al jaren naar zulke gammaflitsen, vooral in gebieden waar veel donkere materie wordt verwacht, zoals het centrum van de Melkweg.
Gammastraal met een signatuur
In de nieuwste analyse van Fermi-satellietgegevens zegt Totani nu precies dat signaal te hebben gevonden. “We hebben gammastraling gedetecteerd met een energie van 20 giga-elektronvolt, die als een soort halo richting het centrum van de Melkweg uitwaaiert”, legt Totani uit. “De vorm van die straling komt verbluffend goed overeen met wat je zou verwachten van een halo van donkere materie.”
Niet alleen de ruimtelijke vorm klopt, ook de energiewaarden matchen met de voorspellingen voor WIMP’s van ongeveer vijfhonderd keer de massa van een proton. Zelfs de snelheid waarmee zulke botsingen volgens het signaal plaatsvinden, past binnen bestaande theoretische grenzen.
En dat maakt het bijzonder, want deze gammastraling is nauwelijks te verklaren door bekende astronomische processen. Geen pulsars, supernova’s of andere kosmische bronnen lijken deze straling voldoende te kunnen produceren.
“De eerste keer dat we donkere materie zien”
Totani is voorzichtig, maar enthousiast: “Als dit klopt dan is dit mogelijk de eerste keer dat de mensheid donkere materie daadwerkelijk ‘ziet’. Bovendien zou het betekenen dat donkere materie een nieuw type deeltje is dat niet voorkomt in het huidige standaardmodel van de deeltjesfysica. Dat zou een gigantische stap voorwaarts zijn voor zowel de astronomie als de natuurkunde.”
Toch is één analyse niet genoeg om een mysterie van bijna een eeuw op te lossen. Andere teams moeten de gegevens onafhankelijk controleren. En zelfs bij bevestiging willen onderzoekers meer bewijs: dezelfde gammasignatuur moet zijn terug te vinden in andere gebieden met hoge concentraties donkere materie, zoals dwergstelsels die rond de Melkweg zweven.
Als toekomstige waarnemingen opnieuw gammaflitsen rond de 20 GeV vinden op plekken waar donkere materie vermoed wordt, kan Totani’s claim wel eens het startpunt zijn van een nieuw hoofdstuk in de kosmologie. “Met meer gegevens wordt het bewijs nog sterker”, zegt Totani. “En als dat gebeurt, dan hebben we eindelijk zicht op iets dat we bijna een eeuw lang alleen indirect konden vermoeden.”
Kritiek
Maar er klinkt ook kritiek van collega’s. Zo stelt natuurkundeprofessor Dan Hooper van de Universiteit van Wisconsin-Madison dat veel andere wetenschappers de door Totani gebruikte Fermi-satellietgegevens al hebben geanalyseerd en dat geen van hen de overtollige gammastraling heeft gedetecteerd die hij wel heeft gevonden. “Donkere materie is erg moeilijk te vinden en te karakteriseren”, aldus de natuurkundige van het Fermilab. “Niemand zou het moeten geloven zonder meerdere, elkaar bevestigende bewijslijnen en dit is er slechts één van.”
Ook professor Joe Silk, onderzoeker van donkere materie aan de Johns Hopkins Universiteit, is niet overtuigd. Hij spreekt van voorbarige conclusies. “Als Totani gelijk heeft, zouden we een signaal van gammastraling moeten hebben gezien van nabijgelegen dwergsterrenstelsels die gedomineerd worden door donkere materie.” Dat is nog niet het geval. Dus er is toch echt meer bewijs nodig voor astronomen echt geloven dat donkere materie is waargenomen.
