Vermoedelijk bestaat 85 procent van alle massa in het heelal uit donkere materie. Maar wat het nu precies is? Het valt niet mee om dat te achterhalen aangezien de materie volledig onzichtbaar is. Een nieuwe blik op de Einsteinringen werpt licht op de zaak.
We weten alleen dat donkere materie bestaat doordat we de indirecte effecten ervan op sterren en sterrenstelsels kunnen waarnemen. De bewegingen van die stelsels kunnen alleen consistent zijn met de zwaartekracht en de relativiteitstheorie als er zoiets bestaat als donkere materie. Maar wat het precies is, is volstrekt onduidelijk. Al zijn er wel enkele voorwaarden waar donkere materie aan móét voldoen: het heeft massa, het bevindt zich in grote hoeveelheden in álle sterrenstelsels, het is niet te detecteren en het is diffuus, oftewel het kan niet samenklonteren tot een hemellichaam. Verder is het vermoeden dat het om een nog onbekend elementair deeltje gaat.
Een halo van donkere materie
Om meer te weten te komen over donkere materie keken onderzoekers van de University of Hong Kong naar de buiging van het licht onder invloed van de zwaartekracht.
De meesten van de verre sterrenstelsels die we kunnen waarnemen lijken omringd te zijn met een halo van donkere materie. Maar aangezien de mysterieuze substantie geen licht afgeeft, noch het absorbeert of reflecteert, is het ongelooflijk moeilijk om het vast te stellen.
Om toch verder te komen hebben wetenschappers twee hypotheses bedacht, die nu leidend zijn: donkere materie zou bestaan uit relatief zware deeltjes, die ‘zwak interacterende massieve deeltjes’ worden genoemd, of WIMP’s. De andere optie is dat het juist om extreem lichte deeltjes gaat, die axionen heten. In theorie zouden WIMP’s zich gedragen als discrete deeltjes, terwijl axionen zich veel meer gedragen als golven.
Vervormd beeld van de werkelijkheid
Het was tot op heden moeilijk om te bepalen welke van deze twee opties het meeste hout snijdt, maar de buiging van het licht rond verre sterrenstelsels biedt nu interessante aanwijzingen. Als licht door het universum reist en een groot object passeert, zoals een sterrenstelsel, buigt het af, omdat – volgens Einsteins relativiteitstheorie – de zwaartekracht van het object ruimte en tijd rond zichzelf vervormt.
Dat leidt er bijvoorbeeld toe dat we, als we naar een ver sterrenstelsel kijken, een vervormd beeld krijgen van andere sterrenstelsels die zich daarachter bevinden. En als dat in een perfecte lijn gebeurt dan kan het licht van het achterliggende sterrenstelsel als een cirkel te zien zijn rond het dichterbij gelegen sterrenstelsel.
Einstein voorspelde het al
Deze vervorming van licht wordt ook wel een zwaartekrachtlens of gravitational lensing genoemd en de cirkels van licht die zo kunnen ontstaan heten Einsteinringen, zo genoemd omdat Einstein het bestaan ervan al in 1936 voorspelde. Door de vervorming van deze ringen te bestuderen kunnen astronomen meer te weten komen over de eigenschappen van de halo van donkere materie rond het dichterbij gelegen sterrenstelsel.
En dat is precies wat de onderzoekers uit Hongkong hebben gedaan. Ze keken naar verschillende systemen waar meerdere kopieën van hetzelfde achtergrondobject zichtbaar waren rond een sterrenstelsel op de voorgrond, met een speciale focus op HS 0810+2554.
Toch de axionen
Met hulp van gedetailleerde modellen bekeken ze hoe de afbeeldingen eruit zouden zien als de donkere materie zou bestaan uit WIMP’s versus hoe het zou zijn als de materie was gemaakt van axionen. Het WIMP-model leek niet erg op de echte afbeeldingen, maar het axion-model reproduceerde juist wel heel accuraat alle kenmerken van het systeem. De conclusie is dus dat axionen de meest logische kandidaat zijn voor donkere materie.
Bevestiging van eerder onderzoek
Deze nieuwe studie bouwt voort op eerder onderzoek dat ook al in de richting van axionen wees als de waarschijnlijkste vorm van donkere materie. Al zal ook deze studie het debat over de aard van donkere materie niet beëindigen, hij biedt wel nieuwe mogelijkheden voor tests en experimenten. Zo kunnen toekomstige observaties van gravitational lensing worden gebruikt om de golfachtige natuur van axionen verder te onderzoeken en mogelijk hun massa te bepalen.
Een beter begrip van donkere materie is iets waar wetenschappers al heel lang naar op zoek zijn. Het heeft gevolgen voor wat we weten over de deeltjesfysica en het vroege universum. Het kan ons ook helpen om beter te begrijpen hoe sterrenstelsels zich vormen en in de loop der tijd veranderen.
