Is dit het moment? Wetenschappers detecteren een signaal dat mogelijk donkere materie is

Het universum zit boordevol raadsels, maar weinigen zijn zo koppig (of zo fascinerend) als donkere materie. Deze ongrijpbare substantie, voor het eerst voorgesteld in 1933 door astronoom Fritz Zwicky, weigert zich aan de regels te houden: het schijnt op geen enkele manier licht, absorbeert het niet en heeft er geen interactie mee. Eigenlijk kunnen we het helemaal niet zien. En toch vormt zijn onzichtbare aantrekkingskracht sterrenstelsels, wat erop duidt dat er daarbuiten iets groots en mysterieus is.

Na bijna 100 jaar, en met hulp van NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope, hebben onderzoekers misschien eindelijk voor het eerst donkere materie ‘gezien’.

Als dit waar blijkt te zijn, zal dit een belangrijke ontwikkeling voor de wetenschap zijn. Het vermogen van donkere materie om zich in het volle zicht te verbergen is legendarisch. Het kan door geen enkel instrument dat mensen ooit hebben gemaakt worden gezien, omdat donkere materie geen enkel licht kan uitzenden, absorberen of reflecteren, wat de manier is waarop mensen en al onze instrumenten de dingen zien. Dat maakt donkere materie indrukwekkend moeilijk te vinden.

Tomonori Totani, hoogleraar astronomie aan de Universiteit van Tokio, gelooft dat hij daarin geslaagd is waar velen vóór hem hebben gefaald. In een studie Totani, gepubliceerd op 25 november in de Journal of Cosmology and Astroarticle Physics, zegt dat hij mogelijk donkere materie heeft gevonden door het bijproduct te observeren van twee deeltjes donkere materie die met elkaar botsen.

Mis geen enkele van onze onpartijdige technische inhoud en laboratoriumbeoordelingen. CNET toevoegen als favoriete Google-bron.

De sleutel tot deze ontdekking is het theoretische bestaan ​​van iets dat zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes wordt genoemd, of kortweg WIMP’s. WIMP’s zijn stukjes donkere materie die groter zijn dan protonen en geen interactie hebben met andere soorten deeltjes. Wanneer twee WIMP’s met elkaar botsen, suggereert de wetenschappelijke theorie dat ze elkaar vernietigen, en de resulterende reactie produceert gammastraling.

Totani gebruikte gegevens van NASA’s Fermi Gammaray-ruimtetelescoop om te ontdekken wat volgens hem de gammastralingsemissies zijn van deze vernietigingsgebeurtenissen, die, indien accuraat, zouden bewijzen dat donkere materie bestaat – of op zijn minst wetenschappers op het goede spoor zouden zetten om het bestaan ​​ervan te bevestigen.

Waarom is donkere materie zo moeilijk te vinden?

NASA beschrijft donkere materie als ‘de onzichtbare lijm die het universum bij elkaar houdt’. Donkere materie is overal. Theorieën suggereren dat slechts 5% van de materie gewone dingen zijn die jij en ik kunnen zien, terwijl donkere materie 27% van de taart uitmaakt. De rest is donkere energie nog een mysterie die de wetenschap nog moet oplossen.

Als er meer dan vijf keer zoveel donkere materie is als gewone materie, waarom is het dan zo moeilijk te zien? Het korte antwoord is dat donkere materie geen interactie heeft met materie op een manier die mensen met onze huidige technologie kunnen detecteren.

Dit is niet geheel onnatuurlijk. De wetenschap heeft ook moeite met het detecteren van zwarte gaten. Licht kan niet ontsnappen uit een zwart gat, dus het is onmogelijk om er één rechtstreeks waar te nemen. In plaats daarvan hebben wetenschappers verschillende methoden ontwikkeld om de aanwezigheid van een zwart gat te detecteren op basis van de impact ervan op de omgeving.

Cygnus X-1 – het eerste zwarte gat ooit ontdekt – werd gevonden dankzij iets dat een accretieschijf wordt genoemd. Accretieschijven zijn wervelende wolken van gas, stof, plasma en andere deeltjes die zich rond zwarte gaten vormen en de neiging hebben enorme hoeveelheden röntgenstraling uit te zenden. Onderzoekers vonden die intense röntgenstralen en concludeerden dat ze uit een zwart gat kwamen. In de eerste foto van een zwart gat gemaakt in 2019, is het zichtbare deel de accretieschijf van het zwarte gat, niet het zwarte gat zelf.

De Engelse filosoof en predikant John Michell theoretiseerde voor het eerst het bestaan ​​van zwarte gaten in 1783. Dat betekent dat het de mensheid 236 jaar kostte om een ​​foto van een zwart gat te maken, en zelfs dan kunnen we het zwarte gat niet op de foto zien. We weten gewoon dat het er is, omdat we de accretieschijf kunnen zien.

Donkere materie is veel moeilijker te detecteren. Het heeft helemaal geen interactie met het elektromagnetische spectrum, inclusief zichtbaar licht. Net als zwarte gaten heeft de wetenschap de impact ervan op de omgeving gebruikt om het bestaan ​​ervan te bewijzen.

Dit fenomeen begon in 1933, toen astronoom Fritz Zwicky dat waarnam sterrenstelsels in de Comacluster bewegen te snel voor de hoeveelheid gewone materie die erin zit. Zwicky concludeerde dat er een tweede soort onzichtbare materie moest zijn die meer zwaartekracht toevoegde en fungeerde als een soort lijm die de cluster bij elkaar hield.

Deze theorie is in de loop van de tijd verfijnd en er is aanvullend bewijsmateriaal naar voren gekomen. Eén voorbeeld is zwaartekrachtlensvormingwat een afbuiging van licht is, veroorzaakt door de zwaartekracht. De Bullet Cluster is het beste voorbeeld hiervan dat dit mogelijk veroorzaakt wordt door donkere materie, maar het is nog niet definitief bewezen.

Auteur van de studie legt uit wat hij heeft gevonden

In de afgelopen decennia hebben wetenschappers er verschillende voorgesteld potentiële kandidaten voor wat donkere materiedeeltjes eigenlijk zijn. Eén van deze theorieën is de WIMP. Deze theoretische deeltjes zijn veel groter dan fotonen en hebben een onderscheidend kenmerk. Wanneer ze botsen, voorspelt de wetenschap dat ze elkaar zullen vernietigen, wat resulteert in een uitbarsting van gammastraling.

NASA heeft een korte video hier dat laat zien hoe dit in theorie zou werken. Deze gammastralingsemissies zijn wat Totani denkt te hebben gevonden.

“We hebben gammastraling gedetecteerd met een fotonenenergie van 20 giga-elektronvolt (of 20 miljard elektronvolt, een enorme hoeveelheid energie, die zich in een halo-achtige structuur uitstrekt naar het centrum van de Melkweg”, zegt Totani. vertelde Phys.org. “De gammastralingsemissiecomponent komt nauw overeen met de vorm die wordt verwacht van de halo van donkere materie.”

Er valt hier wat uit te pakken, dus ik vroeg Totani om meer informatie. Hij vertelde me dat sterren in onze Melkweg ‘verdeeld zijn in een schijf, terwijl men denkt dat de halo van donkere materie deze bolvormig omringt’. De straling die door de theoretische donkere materie wordt gegenereerd, zou vanuit de bolvormige locatie de schijf binnendringen, waardoor Totani een idee kreeg van waar hij naar moest zoeken en waar hij in het algemeen moest zoeken.

Toen hij daar eenmaal keek, kon hij straling vinden die volgens hem ‘consistent is met voorspellingen van donkere materie’.

Met andere woorden: de gammastraling was waar ze hoorde te zijn, op het fotonenenergieniveau dat de wetenschap voorspelde, en de emissies hadden de vorm die verwacht werd voor donkere materie.

De wetenschap voor altijd veranderen

Totani heeft gammastraling gevonden waar ze zouden moeten zijn en met de voorspelde sterkte, dus het moet donkere materie zijn, toch?

Niet precies.

Hoewel deze bevindingen veelbelovend zijn, bewijzen ze niet noodzakelijkerwijs het bestaan ​​van donkere materie. De eerste stap zal zijn dat onafhankelijke onderzoekers de conclusies van Totani verifiëren.

Totani is zich hiervan bewust en wil dat onafhankelijke onderzoekers de gegevens onderzoeken in een poging zijn bevindingen te repliceren. Dit omvat het meten van gammastralingsemissies uit andere bronnen, zoals dwergstelsels, in het universum om te zien of iets anders zijn bevindingen kan verklaren.

Momenteel kunnen zijn bevindingen niet eenvoudig worden verklaard door bekende bronnen van gammastraling, maar dat betekent niet dat er geen bestaan. De gegevens zullen moeten worden getest en opnieuw getest, en onderzoekers zullen meer informatie moeten aanleveren om te verifiëren dat zijn bevindingen inderdaad verband houden met donkere materie.

De wetenschap zal hier de tijd voor nemen, want als Totani daadwerkelijk donkere materie zou vinden, zouden de gevolgen enorm zijn. Hij merkt op dat de ontdekking van een nieuw elementair deeltje dat niet is opgenomen in het huidige standaardmodel van de deeltjesfysica een aanzienlijke impact zal hebben op de fundamentele natuurkundetheorie. En de ontdekking van donkere materie zou andere kosmologische mysteries helpen ontrafelen, zoals de aard van donkere energiede onzichtbare kracht die ervoor zorgt dat het universum versneld uitdijt.

“Als dit klopt, is de ware aard van donkere materie, lange tijd het grootste mysterie in de kosmologie, onthuld”, zei Totani.