Gammastralen - het helderste, krachtigste licht in het universum - varen door de lucht, onzichtbaar voor menselijke ogen. Deze uitzonderlijk energetische uitbarstingen van straling flitsen door supernova-explosies, vonken uit botsende neutronensterren en spuwen uit de hongerigste zwarte gaten.
Wanneer astronomen ze kunnen vangen met gammastraaltelescopen, wijzen dit onzichtbare vuurwerk naar enkele van de meest explosieve structuren van het universum. Nu hoopt een internationaal team van onderzoekers dat die almachtige stralen ook kunnen leiden tot iets vreemds en ongrijpbaarder: de onzichtbare stof die bekend staat als donkere materie.
In een nieuwe studie die werd aanvaard voor publicatie in het tijdschrift Physical Review Letters, en gedetailleerd over de preprint-database arXiv, keken de onderzoekers naar wat zij de "onopgeloste gammastraalachtergrond" noemen - dat wil zeggen alle zwakke en mysterieuze gammastraling signalen die overblijven na bekende bronnen zoals zwarte gaten en supernova's. Toen het team een kaart van onopgeloste gammastraling vergeleek met een kaart van materiedichtheid in hetzelfde deel van het universum, ontdekten ze dat de stralen precies waren uitgelijnd met gravitatie-massieve gebieden waar donkere materie zich naar verwachting zou verbergen.
Volgens co-auteur Daniel Gruen van de studie suggereert deze correlatie dat donkere materie grotendeels verantwoordelijk kan zijn voor de zwakke gammastraalachtergrond van het universum. Als dat het geval is, kan het astronomen enkele essentiële aanwijzingen geven over de eigenschappen van de mysterieuze stof.
"Donkere materie kan vergaan als een radioactieve kern en gammastraling produceren zoals het is", vertelde Gruen, een astrofysicus bij het SLAC National Accelerator Laboratory van de Department of Energy aan de Stanford University in Californië, aan WordsSideKick.com. 'Of misschien botsen meerdere donkere materiedeeltjes en produceren ze gammastralen tijdens hun interactie.'
Rimpelingen in het donker
Er wordt aangenomen dat donkere materie ongeveer 85% van de massa van het universum uitmaakt, hoewel onderzoekers nog steeds niet zeker weten wat of waar het is. Volledig onzichtbaar voor moderne wetenschappelijke instrumenten, het spul is nooit met succes gedetecteerd.
'We kennen wel enkele eigenschappen van donkere materie,' zei Gruen. 'We weten dat het heel gewoon is, en we weten dat het een massa heeft die gravitatie interageert met andere massa.'
Met andere woorden, ook al is donkere materie onzichtbaar, het maakt een zichtbare impact op het universum door zijn krachtige zwaartekracht. Een van die effecten staat bekend als gravitatielensing - in wezen hoe licht van verre sterrenstelsels wordt vervormd door de zwaartekracht van de massieve objecten die het op weg naar de aarde passeert.
Voor de nieuwe studie keken de onderzoekers naar een kaart van zwaartekrachtlensing in een bepaald deel van het universum, samengesteld door een project genaamd de Dark Energy Survey (DES). De speciale camera van de enquête, gemonteerd op een gigantische telescoop in Chili, bracht een jaar lang high-definition beelden van honderden miljoenen sterrenstelsels door, waarbij hij zich concentreerde op de plaats waar het verre licht het meest misvormd is door zakken met intense zwaartekracht. Terwijl enkele van de meest massieve regio's op de resulterende kaart overeenkomen met bekende sterrenstelsels, tonen andere forse zakken waarschijnlijk de verborgen invloed van donkere materie op het werk, zei Gruen.
Om beter te begrijpen hoe die invloed eruit zou kunnen zien, vergeleken de onderzoekers deze massakaart met een kaart van gammastraling-emissies die in dezelfde regio zijn gedetecteerd door NASA's Fermi-gammastraaltelescoop in de afgelopen negen jaar. Met behulp van een wiskundig model verwijderde het team alle straling die definitief kon worden gekoppeld aan "alledaagse" bronnen zoals zwarte gaten en supernova's, op basis van hun energie-output, afstand en diverse andere factoren.
Nu, alleen nog met de mysterieuze "onopgeloste" gammastralingbronnen, vergeleek het team beide kaarten. Ze zagen een duidelijke overlap tussen regio's met hoge gammastraling en regio's met veel massa.
'Dit is het eerste onderzoek waarvan we zeker zijn dat er, waar veel gammastraling is, ook veel donkere materie is', zei Gruen.
Als donkere materie echt gammastralen uitzendt, kan dat ernstig beperken hoe het wordt gedetecteerd en waaruit het eigenlijk is gemaakt. Het is echter nog steeds mogelijk dat de zwakke gammastraalachtergrond op de Fermi-kaart niets te maken heeft met donkere materie, zei Gruen. Het wiskundige model dat de onderzoekers gebruikten om die 'alledaagse' bronnen van gammastraling (zoals zwarte gaten) te verwijderen, is gebaseerd op enkele aannames over de eigenschappen van die objecten. Als die aannames onjuist zijn, kunnen zwarte gaten op afstand verantwoordelijk zijn voor veel meer van de mysterieuze gammastraalachtergrond dan de onderzoekers voor hun rekening namen.
'Misschien is dat model onvolledig, en misschien leren we eigenlijk iets over deze gammastraal-emitterende zwarte gaten', zei Gruen. 'Misschien leven deze zwarte gaten in grotere sterrenstelsels dan we dachten.'
Meer gegevens over zowel gammastraling als gravitatielensing zullen het team helpen hun model aan te scherpen en hun kaarten van het universum beter te interpreteren. Sinds de conclusie van de studie heeft de DES zes keer meer informatie verzameld over de massaverdeling van het universum, en de FERMI-satelliet blijft een van de vele telescopen die gammastralingsexplosies volgen. Een vervolgonderzoek met nog duidelijkere resultaten zou de komende jaren moeten volgen, zei Gruen.
