De mysterieuze gloed in het centrum van de Melkweg kan afkomstig zijn van donkere materie

In het centrum van onze Melkweg bevindt zich een mysterieus, diffuus gloed afgegeven door gammastraling: krachtige straling die gewoonlijk wordt uitgezonden door objecten met hoge energie, zoals snel roterende of exploderende sterren.

NASA’s Fermi Gammaray-ruimtetelescoop ontdekte de gloed kort na de lancering in 2008, en het licht heeft wetenschappers sindsdien in verwarring gebracht, wat aanleiding gaf tot speculaties over de oorzaak ervan.

Sommige astronomen geloven dat de bron van de gloed pulsars zijn – de draaiende resten van geëxplodeerde sterren – terwijl anderen wijzen op botsende deeltjes van donkere materie, een ongrijpbare en onzichtbare vorm van materie waarvan wordt aangenomen dat ze vijf keer overvloediger dan gewone materie.

Veel onderzoeken eerder steun voor hebben gevonden beide ideeënmaar er leek een probleem te zijn met de theorie van de donkere materie: de gloed van gammastraling leek overeen te komen met de vorm van de galactische uitstulping – een dichtbevolkt, bolvormig gebied in het centrum van de Melkweg dat grotendeels bestaat uit oude sterren, waaronder pulsars. Deze waarneming leek de pulsartheorie te ondersteunen, waarbij experts theoretiseerden dat de gloed een meer bolvormige vorm zou hebben aangenomen als de bron donkere materie zou zijn geweest. Astronomen zijn er echter niet in geslaagd voldoende pulsars te observeren die de gammastraling zouden produceren om een ​​sluitende beoordeling te kunnen maken.

Nu laten nieuwe simulaties gemaakt met behulp van supercomputers voor het eerst zien dat botsingen tussen donkere materie ook de uitstulpende gloed kunnen hebben veroorzaakt, wat gewicht toevoegt aan de theorie van donkere materie.

“We bevinden ons in de situatie waarin we twee theorieën hebben: de ene gaat over donkere materie en beweert dat deze de gegevens die we zien zou kunnen verklaren, en de andere over oude sterren”, zegt Joseph Silk, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Johns Hopkins University en co-auteur van een onderzoek. studie met details over de nieuwe bevindingen, donderdag gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters.

“Er is op dit moment een kans van 50% dat het om donkere materie gaat, in tegenstelling tot de iets alledaagsere verklaring van oude sterren, naar mijn mening.”

Bewijs van donkere materie zou een baanbrekende ontdekking opleveren. De Zwitserse astronoom Fritz Zwicky theoretiseerde voor het eerst het bestaan ​​van donkere materie in de jaren dertig, en de Amerikaanse astronomen Vera Rubin en W. Kent Ford bevestigden dit in de jaren zeventig. Ze merkten dat sterren die aan de rand van spiraalstelsels draaien, te snel bewegen om alleen door zichtbare materie en zwaartekracht bij elkaar te worden gehouden, en stelden dat er een grote, onzichtbare hoeveelheid materie was die hen ervan weerhield uit elkaar te vliegen. Ondanks tientallen jaren van inspanningen hebben wetenschappers de mysterieuze substantie nooit rechtstreeks waargenomen, vandaar de naam.

“Er bestaat geen twijfel over dat de aard van donkere materie een van de openstaande grote problemen in de natuurkunde is,” zei Silk. “Het is iets dat overal is – dichtbij ons, ver weg, en we weten gewoon niet wat het is.”

Er zijn veel hypothesen over wat donkere materie zou kunnen zijn, inclusief overblijfselen daarvan oorspronkelijke zwarte gaten of een onontdekt type deeltje. Een groot deel van de inspanningen om donkere materie te vinden was gericht op dit laatste idee, wat heeft geleid tot de constructie van detectoren zoals het LZ Dark Matter Experiment in South Dakota.

Het instrument is ontworpen om een ​​van de toonaangevende kandidaten voor donkere materiehypothetische deeltjes genaamd WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles) die geen licht absorberen en vrijwel naadloos door reguliere materie kunnen passeren. Wetenschappers zijn van mening dat wanneer twee WIMP’s elkaar ontmoeten, ze elkaar vernietigen en gammastraling produceren, waardoor ze een plausibele bron van de gloed zouden worden.

Silk’s onderzoek maakte gebruik van supercomputers om een ​​kaart te maken van waar de donkere materie zich in de Melkweg zou moeten bevinden, rekening houdend met hoe het sterrenstelsel oorspronkelijk ontstond.

“Het probleem was dat alle modellen van de donkere materie in onze Melkweg van de afgelopen twintig jaar ervan uitgaan dat het in feite een bolvormige bal is. Er zit geen vorm in, omdat dat het eenvoudigste model was”, zegt Silk.

“Onze bijdrage was, voor de eerste keer, het maken van een echte computersimulatie van de verdeling van donkere materie. En kijk eens, we ontdekten dat het centrale deel van de donkere materie, waar de gammastraling zou worden uitgezonden, in feite platgedrukt was – meer eivormig.” Deze platgedrukte vorm komt goed overeen met de gegevens van de Fermi-telescoop, legt Silk uit.

Gelukkig ligt de bevestiging van het verband tussen donkere materie en de gloed misschien niet zo ver in het verschiet. Een nieuw instrument, de Tsjerenkov Telescope Array Observatorium, of CTAO, is in aanbouw op twee locaties – een in Chili en een andere in Spanje – en zal beginnen met het retourneren van gegevens zodra 2027. CTAO zal gammastraling met een veel hogere resolutie detecteren dan Fermi, zei Silk, waardoor het mogelijk wordt om te bepalen of de gammastraling in het centrum van de Melkweg het product is van botsingen met donkere materie.

Die bevinding zou een doorbraak betekenen in de zoektocht naar de ongrijpbare substantie, voegde hij eraan toe, en zou ook het bewijs leveren dat tenminste een deel van de donkere materie uit WIMP’s bestaat. Als CTAO daarentegen de gloed niet koppelt aan donkere materie, zouden wetenschappers weer bij af zijn in de zoektocht, met alle opties nog op tafel.

De studie helpt de mogelijkheid te heropenen dat donkere materie de gloed in ons galactisch centrum zou kunnen verklaren, hoewel het geen nieuw positief bewijs levert ten gunste van donkere materie, zei Tracy Slatyer, een professor in de natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology, die niet bij het onderzoek betrokken was. Ze is er echter niet van overtuigd dat er een definitieve overeenkomst bestaat tussen de vorm van de verdeling van de donkere materie en de uitstulping van de sterren. “Ik dacht dat de donkere materie-hypothese zelfs vóór dit onderzoek nog steeds redelijk was,” voegde ze eraan toe.

Dit werk vormt een verdere ondersteuning voor de internationale inspanningen om de jacht op WIMP’s voort te zetten, aldus Chamkaur Ghag, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan het University College London, die ook niet deelnam aan het onderzoek van Silk. “Ze blijven een zeer elegante oplossing voor het al lang bestaande probleem van donkere materie,” voegde Ghag via e-mail toe, waarbij hij opmerkte dat met nog meer detectoren voor WIMP’s in ontwikkeling, het zien van signalen van deze deeltjes die in de ruimte vernietigen zou betekenen dat de bijna een eeuw oude puzzel van donkere materie zou worden opgelost.

Nico Cappelluti, universitair hoofddocent bij de afdeling natuurkunde aan de Universiteit van Miami, zei dat de Fermi-telescoop een game changer is geweest voor NASA, en dit artikel laat zien dat donkere materie nog steeds volop in de race is om de vreemde gloed in het centrum van onze Melkweg te verklaren. “Dat mysterie leeft, en het is het soort dat wetenschappers zoals ik ‘s nachts wakker houdt”, zegt Cappelluti, die niet aan het onderzoek deelnam.

Uitzoeken wat donkere materie is, is de wetenschappelijke zoektocht van onze eeuw geweest, voegde hij eraan toe, en merkte op dat “WIMP’s, deze hypothetische deeltjes, al jaren onze hoofdverdachten zijn.” Het feit dat experimenten op aarde ze nog niet hebben ontdekt, is frustrerend, zei hij.

“Maar Fermi geeft ons een reden om te blijven geloven. Dit artikel herinnert ons eraan dat we WIMP’s nog niet van de lijst moeten schrappen – ze zouden nog steeds het centrum van onze Melkweg kunnen verlichten”, zei Cappelluti. “En als dat waar is, zijn we dichter dan ooit bij het onthullen van een fundamenteel geheim van het universum.”

Meld u aan voor CNN’s Wonder Theory wetenschappelijke nieuwsbrief. Verken het universum met nieuws over fascinerende ontdekkingen, wetenschappelijke ontwikkelingen en meer.