Zeg het woord "antimaterie" en onmiddellijk denken mensen aan sciencefiction - anti-universa, brandstof voor de warp-speed motoren van de Enterprise, enzovoort. Antimaterie bestaat uit elementaire deeltjes, die elk dezelfde massa hebben als hun overeenkomstige materie-tegenhangers - protonen, neutronen en elektronen - maar de tegengestelde ladingen en magnetische eigenschappen. Wanneer materie en antimaterie deeltjes botsen, vernietigen ze elkaar en produceren ze energie volgens de beroemde vergelijking van Einstein, E = mc2. Maar antimaterie is niet iets dat beschikbaar is in elke drogisterij op de hoek (en plutonium ook niet, om door te gaan met het filmthema) en er is er niet veel van, zo lijkt het. Maar volgens de theorie was dat niet altijd zo en wetenschappers gebruiken het Chandra X-ray Observatory om te zoeken naar bewijs van antimaterie dat aanwezig was in het zeer vroege universum. En het is geen gemakkelijke klus ...
Volgens het Big Bang-model was het heelal kort na de oerknal overspoeld met deeltjes van zowel materie als antimaterie. Het meeste van dit materiaal werd vernietigd, maar omdat er iets meer materie was dan antimaterie - minder dan een deel per miljard - bleef alleen materie achter, althans in het lokale universum.
Aangenomen wordt dat sporen van antimaterie worden geproduceerd door krachtige verschijnselen zoals relativistische stralen die worden aangedreven door zwarte gaten en pulsars, maar er is nog geen bewijs gevonden voor antimaterie die overblijft uit het jonge universum.
Hoe kon een primair antimaterie het hebben overleefd? Vlak na de oerknal werd aangenomen dat er een buitengewone periode was, inflatie genaamd, toen het heelal exponentieel uitbreidde in slechts een fractie van een seconde.
"Als klonten materie en antimaterie vóór de inflatie naast elkaar bestonden, kunnen ze nu worden gescheiden door meer dan de schaal van het waarneembare heelal, dus we zouden ze nooit ontmoeten", zegt Gary Steigman van de Ohio State University, die leidde de studie. "Maar ze kunnen op kleinere schaal worden gescheiden, zoals die van superclusters of clusters, wat een veel interessantere mogelijkheid is."
In dat geval zouden botsingen tussen twee clusters van sterrenstelsels, de grootste door de zwaartekracht gebonden structuren in het heelal, bewijs kunnen leveren voor antimaterie. Röntgenstraling laat zien hoeveel heet gas er bij een dergelijke botsing betrokken is. Als een deel van het gas uit beide clusters deeltjes antimaterie bevat, zal er vernietiging zijn en zullen de röntgenstralen vergezeld gaan van gammastraling.
Steigman gebruikte gegevens die waren verkregen door Chandra en het nu buiten de baan geplaatste Compton Gamma Ray Observatory om de Bullet Cluster te bestuderen, waar twee grote clusters van sterrenstelsels met extreem hoge snelheden in elkaar zijn gestort. Op relatief korte afstand en met een gunstige zijwaartse oriëntatie gezien vanaf de aarde, biedt de Bullet Cluster een uitstekende testlocatie om het signaal voor antimaterie te zoeken.
Bekijk deze zeer handige animatie van melkwegclusters die tegen elkaar botsen.
"Dit is de grootste schaal waarop deze test voor antimaterie ooit is uitgevoerd", zegt Steigman, wiens artikel werd gepubliceerd in de Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. "Ik kijk of er clusters van sterrenstelsels kunnen zijn die zijn gemaakt van grote hoeveelheden antimaterie."
De waargenomen hoeveelheid röntgenstralen van Chandra en de niet-detectie van gammastralen uit de Compton-gegevens laten zien dat de antimaterie-fractie in de Bullet Cluster minder is dan drie delen per miljoen. Bovendien tonen simulaties van de Bullet Cluster-fusie aan dat deze resultaten significante hoeveelheden antimaterie op schalen van ongeveer 65 miljoen lichtjaar uitsluiten, een schatting van de oorspronkelijke scheiding van de twee botsende clusters.
"De botsing van materie en antimaterie is het meest efficiënte proces om energie op te wekken in het heelal, maar het gebeurt misschien niet op zeer grote schaal", zegt Steigman. "Maar ik geef nog niet op omdat ik van plan ben om naar andere botsende melkwegclusters te kijken die onlangs zijn ontdekt."
Het vinden van antimaterie in het heelal kan wetenschappers vertellen hoe lang de inflatieperiode heeft geduurd. "Succes in dit experiment, hoewel een lang shot, zou ons veel leren over de vroegste stadia van het universum", zei Steigman.
Steigman heeft strengere beperkingen opgelegd aan de aanwezigheid van antimaterie op kleinere schaal door te kijken naar clusters van afzonderlijke sterrenstelsels die niet zulke grote, recente botsingen met zich meebrengen.
Bron: Chandra / Harvard
