Het heeft een massa die miljoenen keren zo groot is als die van de zon en strekt zich uit over honderden lichtjaren. Het ligt zo dichtbij in de Melkweg dat het groter aan de hemel zou lijken dan de zon of de maan, als je het zou kunnen zien. Maar deze immense wolk, geïdentificeerd door astronomen in een preprint die vorige maand online werd geplaatst, bestaat uit volstrekt onzichtbare donkere materie.
Donkere materie, waarvan wordt aangenomen dat deze meer dan vijf keer zo zwaar is als normale materie in het universum, openbaart zich alleen door zijn zwaartekracht. De werkelijke aard ervan is mysterieus. Maar simulaties van hoe het universum zich heeft ontwikkeld, suggereren dat de Melkweg niet alleen is omhuld door een diffuse ‘halo’ van donkere materie die 1 biljoen keer zwaarder is dan de zon, maar ook talloze kleinere klonten bevat, subhalo's genaamd, die tussen de sterren rondzwerven. Als de donkere-materiewolk wordt bevestigd, zou dit de eerste detectie van een subhalo in de Melkweg zijn. Als astronomen er meer kunnen vinden, zouden hun omvang en verspreiding kunnen helpen om de aard van donkere materie te beperken. “Het is een spannend begin van een nieuw tijdperk”, zegt Niayesh Afshordi, astrofysicus bij het Perimeter Institute. Hij weet niet zeker of het bewijs voor de wolk sterk genoeg is om een definitieve ontdekking te claimen, maar de techniek die het team heeft gebruikt, het volgen van de vervagende beweging van hemelse klokken, pulsars genaamd, is veelbelovend, zegt hij. “Dit is het begin van een nieuw soort astronomie.” Hij hoopt dat het nieuwe object slechts het “topje van de ijsberg” is.
De heersende kosmologische theorie stelt dat donkere materie een zwaar, koud deeltje is dat de neiging heeft om samen te klonteren en dat de vorming van sterrenstelsels beïnvloedt door gewone materie naar zich toe te trekken. Het samenklonteren zou helpen verklaren waarom astronomen veel kleine dwergsterrenstelsels zien die grotere sterrenstelsels omringen. Het suggereert ook dat grote sterrenstelsels bevolkt zouden moeten zijn met overvloedige subhalo's van donkere materie, variërend in massa van miljarden zonnen tot de massa van de aarde. Als het donkere deeltje daarentegen licht en warm was, zou het minder klonterig zijn en zouden kleine subhalo's zeldzaam zijn. Betere kaarten van de Melkweg hebben astronomen aangemoedigd om op zoek te gaan naar tekenen dat subhalo's de Melkweg vormgeven. Een veelbelovende tactiek is het onderzoeken van sterrenketens, uitgerekt door de zwaartekracht van de Melkweg, die de schijf van de Melkweg omringen. Sommige van deze ketens vertonen breuken, alsof er iets onzichtbaars doorheen is gebroken. Maar astronomen zijn er nog niet in geslaagd om een breuk definitief toe te schrijven aan een subhalo van donkere materie. “De Melkweg is een nogal rommelige plek”, zegt Mike Boylan-Kolchin, astrofysicus aan de Universiteit van Texas in Austin. “Er zijn veel andere objecten ... die door deze stromen zouden kunnen gaan.”
In plaats daarvan zochten Sukanya Chakrabarti, astrofysicus aan de Universiteit van Alabama in Huntsville, en haar collega's naar aanwijzingen in pulsars, de superdichte overblijfselen van geëxplodeerde sterren. Pulsars draaien snel en zenden metronomische pulsen van radiogolven uit die als de straal van een vuurtoren over de aarde vegen, soms honderden keren per seconde. Haar team richtte zich op pulsars die gepaard gaan met andere pulsars of sterren. Terwijl de pulsar om zijn partner draait en zich naar de aarde toe en ervan weg beweegt, trillen de radiogolven in frequentie. Door deze trillingen kunnen onderzoekers de omlooptijd met uiterste nauwkeurigheid meten en eventuele veranderingen volgen. Aan de hand van archieven met pulsargegevens die meer dan tien jaar teruggaan, heeft het team van Chakrabarti gemeten hoe de omlooptijd van 27 pulsarparen geleidelijk afnam.
Bekende effecten, zoals de uitstoot van zwaartekrachtgolven door de ronddraaiende massa's, zouden naar verwachting hun banen geleidelijk doen krimpen. Maar elke extra afname van de omlooptijd zou betekenen dat de zwaartekracht van een grote nabije massa aan de pulsars trekt. Van de 27 pulsar-binaire sterren vertoonden een handvol in hetzelfde gebied van de hemel vergelijkbare niveaus van abnormale afname. De modellen van het team suggereren dat iets met een gewicht van ongeveer 10 miljoen zonsmassa's aan alle pulsars trekt. Een ongebruikelijke concentratie van normale materie, sterren of gas, zou hiervoor verantwoordelijk kunnen zijn. Maar de onderzoekers vonden niets toen ze de sterrencatalogus van de Europese Gaia-satelliet, de meest uitgebreide lijst die momenteel beschikbaar is, en een vergelijkbare kaart van moleculaire gaswolken doorzochten. Een gigantisch zwart gat zou ook het extra verval kunnen verklaren, maar dan zou het zwaarder moeten zijn dan het superzware zwarte gat in het centrum van de Melkweg en toch onopgemerkt moeten blijven. “We hebben alle mogelijke datasets doorgenomen”, zegt Chakrabarti. “We weten het niet, maar we neigen ernaar te denken dat het waarschijnlijker is dat het een subhalo is.”
Anderen blijven sceptisch. “Er is veel meer nodig voordat mensen dit definitief als een detectie zullen beschouwen”, zegt Boylan-Kolchin. Als het klopt, zou zelfs deze eerste subhalo inzicht kunnen bieden in donkere materie. De modellen van het team suggereren dat de massa in de donkere-materiewolk ongelijkmatig verdeeld is, wat zou wijzen op een ongebruikelijk soort donkere materie, zegt Boylan-Kolchin. “Dat is het spannende vooruitzicht, zou ik zeggen.” Chakrabarti zegt dat hun metingen beter zullen worden naarmate ze meer kosmische klokken vinden en deze langer monitoren. Gelukkig kan het team meeliften op wereldwijde inspanningen die pulsars gebruiken om te zoeken naar een achtergrond “gezoem” van zwaartekrachtgolven van samensmeltende superzware zwarte gaten. “Met de komende gegevens zal de precisie verbeteren”, zegt ze.
Bron: Science.org
