Donkere materie is de architect van de grootschalige kosmische structuur en de motor achter de juiste rotatie van sterrenstelsels. Het is een onmisbaar onderdeel van de fysica van ons universum - en toch weten wetenschappers nog steeds niet waar het van gemaakt is. De meest recente gegevens van Planck suggereren dat de mysterieuze substantie 26,2% van de kosmos omvat, waardoor het bijna vijf en een half keer vaker voorkomt dan normale, alledaagse materie. Vier Europese onderzoekers hebben laten doorschemeren dat ze misschien een ontdekking in handen hebben: een signaal in röntgenlicht dat geen bekende oorzaak heeft en mogelijk een bewijs is van een lang gezochte interactie tussen deeltjes - namelijk de vernietiging van donker er toe doen.
Wanneer astronomen een object aan de nachtelijke hemel willen bestuderen, zoals een ster of sterrenstelsel, beginnen ze met het analyseren van het licht over alle golflengten. Hierdoor kunnen ze smalle donkere lijnen in het spectrum van het object visualiseren, absorptielijnen genoemd. Absorptielijnen ontstaan omdat de componenten van een ster of sterrenstelsel licht absorberen op bepaalde golflengten, waardoor de meeste fotonen met die energieën de aarde niet kunnen bereiken. Evenzo kunnen interagerende deeltjes ook emissielijnen achterlaten in het spectrum van een ster of sterrenstelsel, heldere lijnen die worden gecreëerd wanneer overtollige fotonen worden uitgezonden via subatomaire processen zoals opwinding en verval. Door goed naar deze emissielijnen te kijken, kunnen wetenschappers meestal een robuust beeld schetsen van de fysica die elders in de kosmos gaande is.
Maar soms vinden wetenschappers een emissielijn die ingewikkelder is. Eerder dit jaar ontdekten onderzoekers van het Laboratorium voor Deeltjesfysica en Kosmologie (LPPC) in Zwitserland en de Universiteit Leiden in Nederland een overmaat aan energie in röntgenlicht afkomstig van zowel het Andromedastelsel als de Perseus-sterrenhoop: een emissielijn met een energie van ongeveer 3,5keV. Geen enkel bekend proces kan deze lijn verklaren; het is echter consistent met modellen van de theoretische steriele neutrino - een deeltje dat volgens veel wetenschappers een uitstekende kandidaat is voor donkere materie.
De onderzoekers geloven dat deze vreemde emissielijn het gevolg kan zijn van de vernietiging of het verval van deze donkere materiedeeltjes, een proces waarvan wordt gedacht dat het röntgenfotonen vrijgeeft. In feite bleek het signaal het sterkst te zijn in de meest dichte regio's van Andromeda en Perseus en steeds meer diffuus weg van het centrum, een verdeling die ook kenmerkend is voor donkere materie. Bovendien was het signaal afwezig in de observaties van het team van diepe, lege ruimte, wat impliceert dat het echt is en niet alleen instrumenteel artefact.
In een voordruk van hun paper benadrukken de onderzoekers zorgvuldig dat het signaal zelf volgens wetenschappelijke normen zwak is. Dat wil zeggen, ze kunnen er slechts 99,994% zeker van zijn dat het een echt resultaat is en niet alleen een frauduleuze statistische fluctuatie, een betrouwbaarheidsniveau dat bekend staat als 4σ. (De gouden standaard voor een ontdekking in de wetenschap is 5σ: een resultaat dat met 99,9999% vertrouwen 'waar' verklaard kan worden) Andere wetenschappers zijn er niet zo zeker van dat donkere materie toch zo'n goede verklaring is. Volgens voorspellingen die zijn gedaan op basis van metingen van het Lyman-alfabos - dat wil zeggen het spectrale patroon van waterstofabsorptie en fotonemissie binnen zeer verre, zeer oude gaswolken - zou elk deeltje dat beweert donkere materie te zijn een energie van meer dan 10keV moeten hebben - meer dan tweemaal de energie van dit meest recente signaal.
Zoals altijd zit de studie van de kosmologie vol met mysteries. Of deze specifieke emissielijn het bewijs blijkt te zijn van een steriele neutrino (en dus van donkere materie) of niet, het lijkt een signaal te zijn van een fysisch proces dat wetenschappers nog niet begrijpen. Als toekomstige waarnemingen de zekerheid van deze ontdekking kunnen vergroten tot de 5σniveau zullen astrofysici nog een ander fenomeen moeten verklaren - een opwindend vooruitzicht, ongeacht het eindresultaat.
Het onderzoek van het team is geaccepteerd voor Physical Review Letters en zal in een volgend nummer worden gepubliceerd.
