Natuurkundigen hebben lang geprobeerd om donkere materie te ontrafelen en de mysterieuze substantie die een kwart van het universum uitmaakt echt te bekijken. Een idee voor wat zich verbergt onder de mantel van onzichtbaarheid? Veel kleine, pluizige deeltjes die zich gedragen als één gigantisch deeltje.
Maar de meest recente jacht op zulke donzige, ultralichte deeltjes, gepubliceerd op 28 februari in Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, staat met lege handen.
De resultaten suggereren dat als donkere materie echt gemaakt is van deze minuscule deeltjes, het net zo ongrijpbaar is als de naam doet vermoeden en nauwelijks interageert met gewone materie.
Hart van duisternis
Donkere materie is een van de best bewaarde geheimen van het universum. Het spul heeft geen interactie met licht, maar oefent toch een zwaartekracht uit op andere materie. Hoewel het ongeveer een kwart van de massa en energie in het universum uitmaakt, lijken wetenschappers het niet te kunnen vinden of zelfs niet te weten te komen waaruit het is gemaakt.
Veel wetenschappers speculeren dat donkere materie kan bestaan uit zwak interagerende massieve deeltjes, WIMP's. Maar WIMP-theorieën komen op verschillende manieren tekort. Deze deeltjes zouden bijvoorbeeld kleine structuren in het web van sterrenstelsels moeten veroorzaken die astronomen niet hebben gezien. Dus in plaats daarvan kijken sommige wetenschappers in een andere richting naar donkere materie - naar ultralichte deeltjes.
Hoewel er veel ideeën zijn over wat donkere materie zou kunnen zijn, heeft geen van hen veel ondersteunend bewijs, zei Sergey Troitsky, co-auteur van de paper en onderzoeker bij het Institute for Nuclear Research van de Russian Academy of Sciences. 'Je moet dus alle mogelijkheden een voor een bekijken, bestuderen en uitsluiten.'
Sommige theorieën over ultralicht, ook bekend als fuzzy, donkere materie, stellen een deeltje voor dat ongeveer 10 tot 28 keer lichter is dan een elektron. Deze "fuzzy" donkere materie wordt zo genoemd omdat hij door zijn lage massa meer als een uitgesmeerd deeltje met een wazig effect werkt. grenzen dan een golf. Het nieuwe onderzoek testte een manier om te zoeken naar dit soort deeltjes in het licht van actieve sterrenstelsels.
Aangezien donkere materie zo'n groot deel van het universum uitmaakt, moeten er veel van zijn als het is gemaakt van ultralichte deeltjes. Zo veel zelfs dat ze in een unieke staat zouden bestaan, zoals een veld of een Bose-Einstein-condensaat - een toestand waarin deeltjes, vaak bij ultrakoude temperaturen, samenklonteren en als één geheel samenwerken. Hoewel individuele donkere materiedeeltjes geen interactie hebben met licht - en daarom hebben wetenschappers moeite gehad om ze te vinden - op grote schaal, zou het veld een merkbaar effect hebben op de polarisatie of de oriëntatie van licht terwijl het door de ruimte beweegt. Dit zou gebeuren als de dichtheid van het veld regelmatig oscilleert, waardoor de manier waarop het licht door het gebied reisde, verandert.
De theorie suggereerde dat dit effect te zien was in een gebied van donkere materie met een diameter van minstens 325 lichtjaar. De oscillatiesnelheid van het veld hangt rechtstreeks af van de massa van de ultralichte donkere materiedeeltjes, dus door dit effect te zien, hoopten de wetenschappers dat ze de massa van donkere materie konden meten.
Om te zoeken naar veranderingen in de polarisatie van licht als gevolg van velden met ultralichte donkere materie, keken de wetenschappers naar archiefgegevens van de Very Long Baseline Array, een radiotelescoop bestaande uit 10 (82 voet) (25 meter) telescopen bediend vanuit Socorro, New Mexico. Ze concentreerden zich op licht uit de harten van 30 sterrenstelsels, die enorme hoeveelheden materie uitstralen in stralen die honderden lichtjaren lang kunnen zijn. Het licht van deze sterrenstelsels is sterk gepolariseerd en is goed bestudeerd, dus er waren al langjarige archiefgegevens over beschikbaar.
"We gebruiken vaak astrofysische gegevens uit gepubliceerde artikelen of openbaar beschikbare databases om eigenschappen van elementaire deeltjes te beperken", vertelde Troitsky aan WordsSideKick.com. 'Maar deze keer hebben we contact opgenomen met onze collega-radioastronomen en zij hebben hun eigen gegevens ingegraven en zorgvuldig observatieseries speciaal voor onze taak geselecteerd.'
De wetenschappers analyseerden twee decennia aan gegevens en ontdekten veel oscillaties, maar niet de typen waarnaar ze op zoek waren. Actieve galactische kernen pulseren vaak zonder een regelmatige frequentie. Maar oscillaties van ultralichte donkere materie zouden allemaal plaatsvinden met dezelfde tijdsduur tussen oscillaties.
Uiteindelijk zagen de wetenschappers geen tekenen van ultralichte donkere materie, althans niet bij de soorten massa's die het gebrek aan kleine structuren in het web van sterrenstelsels zouden kunnen verklaren. Dat betekent echter niet dat ze absoluut niet bestaan.
'Er is geen garantie dat een deeltje met donkere materie bestaat ieder interactie met de zichtbare wereld naast de zwaartekracht, "zei Troitsky." Het zou heel moeilijk zijn om zo'n deeltje met enige massa en zonder andere interactie te ontdekken, hoewel dat inderdaad een van de eenvoudigste opties is om donkere materie te verklaren. "
Hoewel het nieuwe onderzoek conventionele ultralichte donkere materie onwaarschijnlijk maakt, zijn onderzoekers er niet klaar voor om het uit te sluiten.
'Het enige dat we zeker weten over donkere materie is dat het buiten de bekende deeltjesfysica ligt', zegt Rennan Barkana, een astronoom aan de Tel Aviv University in Israël, die niet betrokken was bij de studie. 'Dus, totdat we overtuigend observationeel bewijs hebben van de aard van donkere materie, moeten we voorzichtig zijn met gissingen en speculaties ... en een open geest houden.'
