Een nieuwe kijk op “Einstein’s ringen” rond verre sterrenstelsels heeft ons dichter bij het oplossen van het debat over donkere materie gebracht

Natuurkundigen geloven dat de meeste materie in het universum bestaat uit onzichtbare materie die we alleen kennen door de indirecte effecten ervan op sterren en sterrenstelsels die we kunnen zien.

Wij zijn niet gek! Zonder deze ‘donkere materie’ zou het universum zoals wij het zien geen betekenis hebben.

Maar de aard van donkere materie is een oud mysterie. Maar, Nieuwe studie Geschreven door Alfred Amroth van de Universiteit van Hong Kong en collega’s, gepubliceerd in natuurlijke astronomiegebruikt de zwaartekrachtbuiging van licht om ons een stap dichter bij begrip te brengen.

Onzichtbaar maar alomtegenwoordig

De reden dat we denken dat donkere materie bestaat, is omdat we de zwaartekrachteffecten op het gedrag van sterrenstelsels kunnen zien. Concreet lijkt donkere materie ongeveer 85% van de massa van het universum uit te maken, en de meeste van de verre sterrenstelsels die we kunnen zien, lijken omringd te zijn door een halo van mysterieuze materie.

Maar het wordt donkere materie genoemd omdat het geen licht uitzendt, absorbeert of weerkaatst, waardoor het erg moeilijk te detecteren is.

Dus wat zijn deze dingen? We denken dat het een onbekend fundamenteel deeltje moet zijn, maar we weten het nog niet zeker. Alle pogingen om donkere materiedeeltjes te detecteren in laboratoriumexperimenten zijn tot nu toe mislukt, en natuurkundigen debatteren al tientallen jaren over hun aard.

Wetenschappers hebben twee belangrijke hypothetische kandidaten voor donkere materie voorgesteld: relatief zware karakters die zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes (of WIMP’s) worden genoemd, en extreem lichte deeltjes die axions worden genoemd. In theorie gedragen WIMP’s zich als discrete deeltjes, terwijl axionen zich als gevolg van kwantuminterferentie veel gedragen als golven.

Het was moeilijk om onderscheid te maken tussen deze twee mogelijkheden, maar een kleine omweg rond verre sterrenstelsels leverde een aanwijzing op.

Zwaartekrachtlenzen en Einstein-ringen

Wanneer licht door het universum gaat door een massief object zoals een melkwegstelsel, is zijn pad gebogen omdat – volgens de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein – de zwaartekracht van het massieve object de ruimte en tijd eromheen vervormt.

Als gevolg hiervan kunnen we soms, wanneer we naar een ver sterrenstelsel kijken, vervormde beelden zien van andere sterrenstelsels erachter. En als alles perfect uitgelijnd is, cirkelt het licht van het achtergrondstelsel rond het dichtstbijzijnde sterrenstelsel.

Deze vervorming van licht wordt “zwaartekrachtlensing” genoemd en de cirkels die het kan creëren worden “Einstein-lussen” genoemd.

Door te bestuderen hoe ringen of andere lenticulaire beelden vervormen, kunnen astronomen meer te weten komen over de eigenschappen van de halo van donkere materie rond het dichtstbijzijnde sterrenstelsel.

Axions versus WIMP’s

En dat is precies wat Amroth en zijn team deden in hun nieuwe studie. Ze keken naar verschillende systemen waar meerdere kopieën van hetzelfde object zichtbaar waren op de achtergrond rond het voorgrondlensstelsel, met een bijzondere focus op een systeem genaamd HS 0810+2554.

Met behulp van gedetailleerde modellering kwamen ze erachter hoe de beelden zouden vervormen als de donkere materie uit WIMP’s zou bestaan, versus hoe het zou zijn als de donkere materie uit axionen zou bestaan. Het WIMP-model leek niet veel op het echte werk, maar het axion-model reproduceerde nauwkeurig alle functies van het systeem.

De bevinding geeft aan dat axions een meer waarschijnlijke kandidaat zijn voor donkere materie, en hun vermogen om lensafwijkingen en andere astrofysische waarnemingen te verklaren, irriteert wetenschappers.

deeltjes en sterrenstelsels

Het nieuwe onderzoek bouwt voort op eerdere studies die ook aangaven dat axions de meest waarschijnlijke vorm van donkere materie zijn. Bijvoorbeeld, één studie keek naar de effecten van axion donkere materie op de kosmische microgolfachtergrond, terwijl laatst Onderzoek naar het gedrag van donkere materie in dwergstelsels.

Hoewel dit onderzoek het wetenschappelijke debat over de aard van donkere materie niet zal beëindigen, opent het wel nieuwe wegen voor testen en experimenteren. Toekomstige zwaartekrachtlenswaarnemingen kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om de golfachtige aard van axonen te onderzoeken en mogelijk hun massa te meten.

Een beter begrip van donkere materie zal implicaties hebben voor wat we weten over deeltjesfysica en het vroege universum. Het kan ons ook helpen beter te begrijpen hoe sterrenstelsels in de loop van de tijd ontstaan ​​en veranderen.