In het begin van de jaren 1930 observeerde de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky dat sterrenstelsels in de ruimte sneller bewogen dan op basis van hun massa te verwachten was. Dit bracht hem tot de conclusie dat er een onzichtbare structuur moest bestaan, donkere materie, die de sterrenstelsels bij elkaar hield. Bijna 100 jaar later heeft de Fermi Gamma-ray Space Telescope van NASA mogelijk direct bewijs voor donkere materie geleverd, waardoor de onzichtbare materie voor het eerst ‘zichtbaar’ is geworden.
Donkere materie is sinds het vele jaren geleden werd voorgesteld grotendeels een mysterie gebleven. Tot nu toe konden wetenschappers donkere materie alleen indirect waarnemen via de effecten ervan op waarneembare materie, zoals het vermogen om voldoende zwaartekracht te genereren om sterrenstelsels bij elkaar te houden. De reden dat donkere materie niet direct kan worden waargenomen, is dat de deeltjes waaruit donkere materie bestaat geen interactie hebben met elektromagnetische kracht, wat betekent dat donkere materie geen licht absorbeert, weerkaatst of uitstraalt. Er zijn tal van theorieën, maar veel onderzoekers veronderstellen dat donkere materie bestaat uit zogenaamde zwak interactieve massieve deeltjes, of WIMPs (weakly interacting massive particles), die zwaarder zijn dan protonen maar zeer weinig interactie hebben met andere materie. Ondanks dit gebrek aan interactie wordt voorspeld dat wanneer twee WIMPs met elkaar in botsing komen, de twee deeltjes elkaar zullen vernietigen en andere deeltjes zullen vrijgeven, waaronder gammastralenfotonen.
Onderzoekers hebben zich gericht op gebieden waar donkere materie geconcentreerd is, zoals het centrum van de Melkweg, en hebben jarenlang astronomische waarnemingen gedaan om deze specifieke gammastralen te vinden. Met behulp van de nieuwste gegevens van de Fermi Gamma-ray Space Telescope denkt professor Tomonori Totani van de afdeling Astronomie van de Universiteit van Tokio eindelijk de specifieke gammastralen te hebben gedetecteerd die worden voorspeld door de vernietiging van theoretische donkere materiedeeltjes. “We hebben gammastraling gedetecteerd met een fotonenergie van 20 giga-elektronvolt (of 20 miljard elektronvolt, een extreem grote hoeveelheid energie) die zich in een halo-achtige structuur uitstrekt naar het centrum van de Melkweg. De gammastralingsemissie komt nauw overeen met de vorm die verwacht wordt van de halo van donkere materie,” aldus Totani. Het waargenomen energiespectrum, of bereik van gammastralingsintensiteiten, komt overeen met de emissie die wordt voorspeld op basis van de annihilatie van hypothetische WIMP's, met een massa die ongeveer 500 keer zo groot is als die van een proton. De frequentie van WIMP-annihilatie, geschat op basis van de gemeten gammastralingsintensiteit, valt ook binnen het bereik van theoretische voorspellingen.
Belangrijk is dat deze gammastralingsmetingen niet eenvoudig kunnen worden verklaard door andere, meer gangbare astronomische verschijnselen of gammastralingsemissies. Daarom beschouwt Totani deze gegevens als een sterke aanwijzing voor gammastralingsemissie door donkere materie, waar al jaren naar wordt gezocht. “Als dit klopt, zou dit voor zover ik weet de eerste keer zijn dat de mensheid donkere materie ‘ziet’. En het blijkt dat donkere materie een nieuw deeltje is dat niet is opgenomen in het huidige standaardmodel van de deeltjesfysica. Dit betekent een belangrijke ontwikkeling in de astronomie en de fysica”, aldus Totani.
Hoewel Totani er zeker van is dat zijn gammastralingsmetingen deeltjes van donkere materie detecteren, moeten zijn resultaten worden geverifieerd door onafhankelijke analyses van andere onderzoekers. Zelfs met deze bevestiging zullen wetenschappers aanvullend bewijs willen dat de halo-achtige straling inderdaad het resultaat is van de annihilatie van donkere materie en niet afkomstig is van andere astronomische verschijnselen. Aanvullend bewijs van WIMP-botsingen op andere locaties met een hoge concentratie donkere materie zou deze eerste resultaten ondersteunen. Het detecteren van dezelfde energierijke gammastraling uit dwergsterrenstelsels in de halo van de Melkweg zou bijvoorbeeld de analyse van Totani ondersteunen. “Dit kan worden bereikt zodra er meer gegevens zijn verzameld, en als dat het geval is, zou dat nog sterker bewijs leveren dat de gammastraling afkomstig is van donkere materie”, aldus Totani.
Bron: EurekAlert!
