De ware aard van donkere materie is een van de grootste mysteries in het universum. Wetenschappers proberen te bepalen waar donkere materie precies van gemaakt is, zodat ze het direct kunnen detecteren. maar ons huidige begrip heeft zoveel hiaten, het is moeilijk om precies te weten wat we zoeken. Het vermogen van WFIRST om grote delen van het universum te onderzoeken, zal ons helpen erachter te komen waaruit donkere materie zou kunnen bestaan ​​door de structuur en verdeling van zowel materie als donkere materie in ruimte en tijd te onderzoeken.

Waarom is donkere materie zo'n verwarrend onderwerp? Wetenschappers vermoedden voor het eerst het bestaan ​​ervan meer dan 80 jaar geleden toen de Zwitsers-Amerikaanse astronoom Fritz Zwicky opmerkte dat sterrenstelsels in de Coma-cluster zo snel bewogen dat ze de ruimte in hadden moeten worden geslingerd - maar toch bleven ze door onzichtbare materie aan de cluster gebonden. Toen, in de jaren zeventig, De Amerikaanse astronoom Vera Rubin ontdekte hetzelfde soort probleem in individuele spiraalstelsels. Sterren naar de rand van de melkweg bewegen te snel om te worden vastgehouden door de lichtgevende materie van de melkweg - er moet veel meer materie zijn dan we in deze melkwegstelsels kunnen zien om de sterren in een baan om de aarde te houden. Sinds deze ontdekkingen, wetenschappers hebben geprobeerd de puzzel samen te stellen met behulp van schaarse aanwijzingen.

Er is momenteel een breed scala aan kandidaten voor donkere materie. We hebben niet eens een heel goed idee wat de massa van donkere materiedeeltjes zou kunnen zijn, wat het moeilijk maakt om erachter te komen hoe je ze het beste kunt zoeken. De breedveldonderzoeken van WFIRST zullen een uitgebreid overzicht geven van de verspreiding van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels over het heelal in de meest gedetailleerde donkere-materiestudies die ooit zijn uitgevoerd, dankzij de zwaartekrachteffecten van donkere materie. Deze onderzoeken zullen nieuwe inzichten opleveren in de fundamentele aard van donkere materie, waarmee wetenschappers hun zoektechnieken kunnen aanscherpen.

De meeste theorieën over de aard van donkere materiedeeltjes suggereren dat ze bijna nooit interageren met normale materie. Zelfs als iemand een groot stuk donkere materie op je hoofd laat vallen, je zou waarschijnlijk niets merken. Je zou geen enkele manier hebben om de aanwezigheid ervan te detecteren - al je zintuigen zijn betwistbaar als het gaat om donkere materie. Je zou niet eens voorkomen dat het dwars door je lichaam naar de kern van de aarde raast.

Dit gebeurt niet met gewone materie, zoals katten of mensen, omdat krachten tussen de atomen in de grond en de atomen in ons lichaam voorkomen dat we door het aardoppervlak vallen, maar donkere materie gedraagt ​​zich vreemd. Donkere materie is zo onopvallend dat het zelfs onzichtbaar is voor telescopen die de kosmos observeren in vormen van licht dat onze ogen niet kunnen zien, van radiogolven tot hoogenergetische gammastraling.

"Lensing" donkere materie

Als donkere materie onzichtbaar is, hoe weten we dat het bestaat? Hoewel donkere materie in de meeste gevallen geen interactie heeft met normale materie, het beïnvloedt het door de zwaartekracht (zo werd het decennia geleden voor het eerst ontdekt), zodat we zijn aanwezigheid in kaart kunnen brengen door naar clusters van sterrenstelsels te kijken, de meest massieve structuren in het universum.

Licht reist altijd in een rechte lijn, maar ruimte-tijd - het weefsel van het universum - wordt gekromd door massaconcentraties erin. Dus als licht een massa passeert, zijn pad buigt ook:een rechte lijn in een gekromde ruimte. Licht dat normaal gesproken in de buurt van een cluster van sterrenstelsels zou passeren, buigt in plaats daarvan naar en eromheen, het produceren van geïntensiveerde - en soms meerdere - afbeeldingen van de achtergrondbron. Dit proces, sterke zwaartekrachtlens genoemd, transformeert clusters van sterrenstelsels in kolossale natuurlijke telescopen die ons een glimp geven van verre kosmische objecten die normaal te zwak zouden zijn om zichtbaar te zijn.

Aangezien meer materie leidt tot sterkere lenseffecten, waarnemingen door zwaartekrachtlenzen bieden een manier om de locatie en hoeveelheid materie in clusters van sterrenstelsels te bepalen. Wetenschappers hebben ontdekt dat alle zichtbare materie die we in clusters van sterrenstelsels zien, lang niet genoeg is om de waargenomen kromtrekkende effecten te creëren. Donkere materie zorgt voor het overschot aan zwaartekracht.

Wetenschappers hebben eerdere waarnemingen bevestigd door te meten hoeveel materie in het zeer vroege universum "normaal" is en hoeveel "donker" is met behulp van experimenten zoals NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Ook al vormt normale materie alles wat we kunnen zien, het heelal moet meer dan vijf keer zoveel donkere materie bevatten om in de waarnemingen te passen.

WFIRST zal voortbouwen op eerdere onderzoeken naar donkere materie door gebruik te maken van zogenaamde zwakke zwaartekrachtlenzen die nagaan hoe kleinere klompjes donkere materie de schijnbare vormen van verder weg gelegen sterrenstelsels vervormen. Door lenseffecten op deze meer verfijnde schaal te observeren, kunnen wetenschappers meer van de hiaten in ons begrip van donkere materie opvullen.

De missie zal de locaties en hoeveelheden van zowel normale materie als donkere materie in honderden miljoenen sterrenstelsels meten. Door de kosmische geschiedenis heen, donkere materie heeft geleid tot de vorming en evolutie van sterren en sterrenstelsels. Als donkere materie uit zware, trage deeltjes, het zou gemakkelijk samenklonteren en WFIRST zou de vorming van melkwegstelsels vroeg in de kosmische geschiedenis moeten zien. Als donkere materie uit lichtere bestaat, sneller bewegende deeltjes, het zou langer moeten duren om zich in klonten te nestelen en om grootschalige structuren te ontwikkelen.

Dankzij de zwaartekrachtlensstudies van WFIRST kunnen we terug in de tijd kijken om te zien hoe sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels zich hebben gevormd onder invloed van donkere materie. Als astronomen de kandidaten voor donkere materiedeeltjes kunnen beperken, we zullen een stap dichterbij zijn om ze eindelijk rechtstreeks te detecteren in experimenten op aarde.