Astronomen hebben gegevens van NASA's Chandra X-ray Observatory gebruikt om de eigenschappen van donkere materie te bestuderen, de mysterieuze, onzichtbare substantie die het grootste deel van de materie in het universum vormt. De studie, waarbij 13 clusters van sterrenstelsels betrokken zijn, onderzoekt de mogelijkheid dat donkere materie meer "vaag" is dan "koud, " misschien zelfs toe te voegen aan de complexiteit rond dit kosmische raadsel.

Sinds enkele decennia is astronomen hebben geweten over donkere materie. Hoewel het niet direct kan worden waargenomen, donkere materie interageert via zwaartekracht met normaal, uitstralende materie (dat wil zeggen, alles wat uit protonen bestaat, neutronen, en elektronen gebundeld in atomen). Door gebruik te maken van deze interactie, astronomen hebben de effecten van donkere materie bestudeerd met behulp van verschillende technieken, inclusief waarnemingen van de beweging van sterren in sterrenstelsels, de beweging van sterrenstelsels in clusters van sterrenstelsels, en de verspreiding van röntgenstraling die heet gas uitzendt in clusters van sterrenstelsels. Donkere materie heeft ook een stempel gedrukt op de straling die 13,8 miljard jaar geleden is overgebleven van de oerknal.

Echter, astronomen worstelen al tientallen jaren om de gedetailleerde eigenschappen van donkere materie te begrijpen. Met andere woorden, ze willen weten hoe donkere materie zich in alle omgevingen gedraagt, en, uiteindelijk, waar het van gemaakt is.

Het meest populaire model gaat ervan uit dat donkere materie een deeltje is dat massiever is dan een proton dat "koud" is. wat betekent dat het beweegt met snelheden die veel kleiner zijn dan de lichtsnelheid. Dit model is erin geslaagd de structuur van het heelal op zeer grote schaal te verklaren, veel groter dan sterrenstelsels, maar het heeft problemen met het uitleggen hoe materie is verdeeld over de kleinere schalen van sterrenstelsels.

Bijvoorbeeld, het koude donkere-materiemodel voorspelt dat de dichtheid van donkere materie in het centrum van sterrenstelsels veel hoger is dan in de omliggende gebieden dicht bij het centrum. Omdat normale materie wordt aangetrokken door donkere materie, het zou ook een sterke piek in dichtheid moeten hebben in het centrum van sterrenstelsels. Echter, astronomen stellen vast dat de dichtheid van zowel donkere als normale materie in het centrum van sterrenstelsels veel gelijkmatiger is verdeeld. Een ander probleem met het koude donkere-materiemodel is dat het een veel groter aantal kleine sterrenstelsels voorspelt die rond sterrenstelsels zoals de Melkweg draaien dan astronomen in werkelijkheid zien.

Om deze problemen met het koude donkere-materiemodel aan te pakken, astronomen hebben alternatieve modellen bedacht waarin donkere materie heel andere eigenschappen heeft. Eén zo'n model maakt gebruik van het principe in de kwantummechanica dat aan elk subatomair deeltje een golf is gekoppeld. Als het donkere materiedeeltje een extreem kleine massa heeft, ongeveer tienduizend biljoen biljoen keer kleiner dan de massa van een elektron, de bijbehorende golflengte zal ongeveer 3 zijn, 000 lichtjaren. Deze afstand van de ene piek van de golf tot de andere is ongeveer een achtste van de afstand tussen de aarde en het centrum van de Melkweg. Daarentegen, de langste golflengte van licht, een radiogolf, is slechts enkele kilometers lang.

Golven van verschillende deeltjes op deze grote schalen kunnen elkaar overlappen en interfereren zoals golven op een vijver, gedraagt ​​zich als een kwantumsysteem op galactische in plaats van atomaire schalen.

De grote golflengte van de golf van de deeltjes betekent dat de dichtheid van donkere materie in het centrum van sterrenstelsels niet sterk kan worden gepiekt. Daarom zouden deze deeltjes voor een waarnemer buiten een melkwegstelsel wazig lijken als ze direct zouden kunnen worden gedetecteerd, daarom wordt dit model "fuzzy dark matter" genoemd. Omdat de normale materie wordt aangetrokken door de donkere materie zal deze ook over grote schalen worden verspreid. Dit zou natuurlijk het ontbreken van een sterke piek in de dichtheid van materie in het centrum van sterrenstelsels verklaren.

Dit eenvoudige model is erin geslaagd de hoeveelheid en de locatie van donkere materie in kleine sterrenstelsels te verklaren. Voor grotere sterrenstelsels, er was behoefte aan een ingewikkelder model van vage donkere materie. Bij dit model is enorme concentraties donkere materie kunnen leiden tot meerdere kwantumtoestanden (genaamd "opgewonden toestanden"), waarin de donkere materiedeeltjes verschillende hoeveelheden energie kunnen hebben, vergelijkbaar met een atoom met elektronen in banen met hogere energie. Deze aangeslagen toestanden veranderen hoe de dichtheid van donkere materie varieert met de afstand tot het centrum van de melkwegcluster.

In een nieuwe studie, een team van wetenschappers gebruikte Chandra-waarnemingen van het hete gas in 13 clusters van sterrenstelsels om te zien of het vage donkere materiemodel op grotere schaal werkt dan dat van sterrenstelsels. Ze gebruikten de Chandra-gegevens om zowel de hoeveelheid donkere materie in elk cluster te schatten als hoe de dichtheid van deze materie varieert met de afstand tot het centrum van de melkwegcluster.

De afbeelding toont vier van de 13 clusters van sterrenstelsels die in het onderzoek zijn gebruikt. De clusters zijn beginnend linksboven en met de klok mee, Abel 262, Abel 383, Abel 1413, en Abell 2390. In elk van deze afbeeldingen, Röntgengegevens van Chandra zijn roze, terwijl optische gegevens rood zijn, groente, en blauw.

Net als bij de studies van sterrenstelsels, het eenvoudigste model van vage donkere materie - waarbij alle deeltjes de laagst mogelijke energie hebben - was het niet eens met de gegevens. Echter, ze ontdekten dat het model waarin de deeltjes verschillende hoeveelheden energie hadden - de "opgewonden toestanden - goede overeenstemming met de gegevens gaf. het vage donkere-materiemodel kan net zo goed of zelfs beter overeenkomen met de waarnemingen van deze 13 clusters van sterrenstelsels dan een model dat is gebaseerd op koude donkere materie.

Dit resultaat laat zien dat het vage donkere-materiemodel een levensvatbaar alternatief kan zijn voor koude donkere materie, maar er is meer werk nodig om deze mogelijkheid te testen. Een belangrijk effect van de aangeslagen toestanden is het geven van rimpelingen, of oscillaties, in de dichtheid van donkere materie als functie van de afstand tot het centrum van de cluster. Dit zou rimpelingen veroorzaken in de dichtheid van normale materie. De verwachte omvang van deze rimpelingen is kleiner dan de huidige onzekerheden in de gegevens. Een meer gedetailleerde studie is nodig om deze voorspelling van het model te testen.

Een paper waarin deze resultaten worden beschreven, werd onlangs geaccepteerd voor publicatie in de Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society en is online beschikbaar. De auteurs zijn Tula Bernal (Nationaal Polytechnisch Instituut, Mexico Stad), Victor Robles (Universiteit van Californië, Irvine), en Tonatiuh Matos (Nationaal Polytechnisch Instituut).