In het centrum van onze Melkweg zweven mogelijk sterren rond die licht geven zonder dat er kernfusie in hun binnenste plaatsvindt. Deze zogeheten zwarte dwergen danken hun licht aan iets veel mysterieuzers, namelijk donkere materie.
“Wij denken dat 25 procent van het universum bestaat uit een type materie dat geen licht uitzendt en dus onzichtbaar is voor onze ogen en telescopen. We detecteren het alleen via zwaartekrachtseffecten. Daarom noemen we het donkere materie”, legt Jeremy Sakstein uit, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Hawaï.
Wat donkere materie precies is, blijft een van de grootste open vragen in de moderne wetenschap. Onderzoekers weten dat het bestaat en hoe het zich gedraagt, maar niet waaruit het is opgebouwd. Een populaire theorie stelt dat donkere materie bestaat uit Weakly Interacting Massive Particles (WIMP’s): zware deeltjes die nauwelijks reageren op gewone materie en alleen via zwaartekracht opvallen.
Volgens Sakstein kan het zijn dat deze WIMP’s gevangen worden door sterren en zich daar ophopen. “Donkere materie interageert via zwaartekracht, dus het kan door sterren worden aangetrokken en zich in hun binnenste verzamelen. Als dat gebeurt, kunnen de deeltjes ook met elkaar reageren en vernietigd worden, waarbij energie vrijkomt die de ster verwarmt”, aldus Sakstein.
Bij gewone sterren, zoals onze zon, ontstaat licht doordat kernfusie in de kern enorme hoeveelheden energie laat vrijkomen. Maar zwarte dwergen zijn veel lichter, namelijk slechts 8 procent van de massa van de zon en zijn te klein voor kernfusie. Toch kunnen ze helder schijnen als ze zich in gebieden met veel donkere materie bevinden, bijvoorbeeld het centrum van de Melkweg. Daar kunnen ze zoveel donkere materie verzamelen dat de vernietiging ervan voor merkbare opwarming zorgt.
Sakstein: “Deze objecten verzamelen donkere materie en worden zo donkere dwergen. Hoe meer donkere materie in de omgeving, hoe meer ze kunnen opnemen. En hoe meer materie in de ster terechtkomt, hoe meer energie er vrijkomt.”
Belangrijk is wel dat dit scenario alleen werkt als donkere materie inderdaad uit zware, interagerende deeltjes bestaat, zoals WIMP’s. Alternatieven zoals axionen of ultralichte neutrino’s zijn hiervoor te licht en reageren niet sterk genoeg met zichzelf.
Maar hoe herken je een zwarte dwerg? Sakstein en zijn collega’s komen met een unieke aanwijzing: de afwezigheid van het element lithium-7. “We hebben een paar mogelijkheden bekeken, maar wij stellen lithium-7 voor omdat dat een echt uniek effect zou zijn”, zegt hij. Lithium-7 wordt in gewone sterren al snel verbrand. “Dus als je een object vindt dat eruitziet als een donkere dwerg, kun je zoeken naar de aanwezigheid van dit lithium, omdat het er niet zou zijn als het een bruine dwerg of een soortgelijk object was.”
Moderne instrumenten zoals de James Webb-ruimtetelescoop zijn wellicht nu al in staat om deze extreem koele objecten te detecteren. Sakstein: “Wat je ook kunt doen, is kijken naar een hele populatie van objecten en statistisch analyseren of een subgroep daarvan beter past bij zwarte dwergen.”
En als we er daadwerkelijk een vinden? “Dan hebben we een sterk aanwijzing”, zegt Sakstein. “Met lichte kandidaten zoals axionen kun je geen zwarte dwergen krijgen. Die hopen zich niet op in sterren. Als we een zwarte dwerg vinden, is dat overtuigend bewijs dat donkere materie zwaar is, sterk met zichzelf interageert, maar slechts zwak met gewone materie. Dat past bij WIMP’s, maar ook bij enkele andere exotische modellen.”
Met andere woorden: een waarneming van een zwarte dwerg zou geen definitief bewijs zijn voor het bestaan van WIMP’s, “maar het zou wel betekenen dat donkere materie óf een WIMP is, óf iets dat zich in alle opzichten gedraagt als een WIMP”, besluit Sakstein.
