Een van Stephen Hawking's beroemdste theorieën over donkere materie - dat deze mysterieuze en onzichtbare substantie uit primordiale zwarte gaten bestaat - kreeg onlangs een enorme klap. Die conclusie komt van een enorme telescoop die in één keer een afbeelding van een heel sterrenstelsel vastlegde.
De bevindingen sluiten het beroemde idee van Stephen Hawking niet volledig uit. Maar ze suggereren dat primordiale zwarte gaten echt klein zouden moeten zijn om donkere materie te verklaren.
Mysterie van donkere materie
Donkere materie is de naam die natuurkundigen hebben gegeven om een bijzonder mysterieus fenomeen te verklaren: alles in het universum beweegt, draait en roteert alsof er meer massa is dan we kunnen detecteren. Verklaringen voor donkere materie variëren van spookachtige deeltjes die neutrino's worden genoemd tot onbekende deeltjes, tot nieuwe natuurwetten. In de jaren zeventig theoretiseerden Stephen Hawking en zijn collega's dat de oerknal mogelijk een groot aantal relatief kleine zwarte gaten heeft gecreëerd - elk ongeveer zo groot als een proton. Deze kleine, oude zwarte gaten zijn moeilijk te zien, maar oefenen toch een grote aantrekkingskracht uit op andere objecten - de twee bekende eigenschappen van donkere materie.
Zwarte gaten zenden echter geen licht uit, superzware zwarte gaten, zoals die in het hart van de Messier 87, worden omgeven door heldere schijven van hete materie. Primordiale zwarte gaten zijn echter miljarden keren kleiner en hebben geen zichtbare, gloeiende materie eromheen. Zoeken naar kleine zwarte gaten betekent in plaats daarvan zoeken naar plaatsen waar hun krachtige zwaartekrachtvelden licht buigen - een fenomeen dat microlensing wordt genoemd.
Telescopen vinden microlenserende zwarte gaten door in de loop van de tijd veel verschillende foto's van een ster te maken. Een zwart gat dat voor die ster passeert, zal het licht vervormen, waardoor het gaat flitsen; hoe kleiner het zwarte gat, hoe sneller de flitser. "Als een microlensing-object, laten we zeggen één zonnemassa heeft," vertelde Takada aan WordsSideKick.com, verwijzend naar de massa van de zon, "is de tijdschaal een paar maanden of een jaar." Maar de oorspronkelijke zwarte gaten waarnaar ze op zoek waren, hadden slechts een klein deel van die massa, ongeveer de massa van de maan. Dat betekent dat hun flitsen veel korter zouden zijn. De HSC is "uniek", zei Takada, in die zin dat ze in staat waren om in één keer opnamen te maken van alle sterren in het Andromedastelsel, met adembenemend snelle (voor astronomen) belichtingsintervallen - elk interval was slechts 2 minuten lang.
Takada en zijn team maakten op een heldere nacht ongeveer 7 uur lang ongeveer 200 foto's van het Andromedastelsel. Ze vonden slechts één potentieel microlensing-evenement. Als primordiale zwarte gaten een aanzienlijk deel van de donkere materie uitmaken, zei Takada, zouden ze ongeveer 1.000 microlensingsignalen moeten hebben gezien.
'Microlensing is de gouden standaard voor het detecteren of uitsluiten van zwarte gaten', zegt Simeon Bird, een natuurkundige met een zwart gat aan de University of California - Riverside, die niet bij het werk betrokken was. "Dit werk sluit primordiale zwarte gaten uit als donkere materie in een reeks massa's waar de eerdere beperkingen niet zo sterk of zo robuust waren als deze nieuwe. Het is een heel mooi resultaat."
Was dit de laatste spijker in de kist? Is de theorie van Hawking echt dood? Niet zo, volgens Bird en Takada, die zeggen dat de oorspronkelijke zwarte gaten van een bepaalde massa nog steeds niet volledig als kandidaten zijn geëlimineerd.
"Er zijn nog steeds een aantal massa's waar de beperkingen zwak zijn, ongeveer 20-30 zonsmassa's," vertelde Bird aan WordsSideKick.com. 'Dat kan nog steeds 1% tot 10% donkere materie zijn ... en er is nog steeds een venster op lagere massa's, zoals de massa van een heel kleine asteroïde.'
'Onze natuurkundigen zijn erg opgewonden omdat er nog een raam is', zei Takada. De gegevens kunnen die kleine zwarte gaten niet uitsluiten, omdat de flitsen van die zwarte gaten veel te kort zouden zijn, 'dus we moeten een andere methode bedenken om het te doen'.
Er werd echter één "flits" gedetecteerd in hun enquête. Hoewel het een enkel voorlopig resultaat was, zou het ongelooflijk belangrijk kunnen worden: de allereerste detectie van een primordiaal zwart gat, wat een baanbrekende validatie zou zijn van een deel van Hawking's werk.
'Slechts één opmerking is niet zo overtuigend', zei Takada. "We hebben meer waarnemingen nodig om te bevestigen. Als het echt was, zouden we hetzelfde moeten blijven vinden", aangezien ze de HSC blijven gebruiken om te zoeken naar meer microlensing.
