Een mysterieuze gammastraling in het centrum van de Melkweg wordt hoogstwaarschijnlijk veroorzaakt door pulsars - de ongelooflijk dichte, snel draaiende kernen van ingestorte oude sterren die tot 30 keer massiever waren dan de zon. Dat is de conclusie van een nieuwe analyse door een internationaal team van astrofysici, waaronder onderzoekers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy. De bevindingen doen twijfel rijzen over eerdere interpretaties van het signaal als een potentieel teken van donkere materie - een vorm van materie die 85 procent van alle materie in het universum uitmaakt, maar die tot nu toe aan detectie is ontsnapt.

"Onze studie toont aan dat we geen donkere materie nodig hebben om de gammastraling van onze melkweg te begrijpen, " zei Mattia Di Mauro van het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC), een gezamenlijk instituut van Stanford University en SLAC. "In plaats daarvan, we hebben een populatie pulsars geïdentificeerd in de regio rond het galactische centrum, die nieuw licht werpt op de vormingsgeschiedenis van de Melkweg."

Di Mauro leidde de analyse voor de Fermi LAT-samenwerking, een internationaal team van onderzoekers dat naar de gloed keek met de Large Area Telescope (LAT) op NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope, die sinds 2008 in een baan om de aarde draait. De LAT - een gevoelig "oog" voor gammastralen, de meest energetische vorm van licht – bedacht en geassembleerd bij SLAC, die ook het operationele centrum herbergt.

De bevindingen van de samenwerking, ingediend bij The Astrofysisch tijdschrift voor publicatie, zijn beschikbaar als voordruk.

Een mysterieuze gloed

Donkere materie is een van de grootste mysteries van de moderne natuurkunde. Onderzoekers weten dat donkere materie bestaat omdat het licht van verre sterrenstelsels buigt en invloed heeft op hoe sterrenstelsels draaien. Maar ze weten niet waar de stof van gemaakt is. De meeste wetenschappers geloven dat het is samengesteld uit nog te ontdekken deeltjes die bijna nooit interageren met gewone materie, behalve door zwaartekracht. waardoor het erg moeilijk is om ze op te sporen.

Een manier waarop wetenschappelijke instrumenten een glimp van donkere materiedeeltjes kunnen opvangen, is wanneer de deeltjes vervallen of botsen en elkaar vernietigen. "Veel bestudeerde theorieën voorspellen dat deze processen gammastraling zouden produceren, " zei Seth Digel, hoofd van de Fermi-groep van KIPAC. "We zoeken naar deze straling met de LAT in gebieden van het heelal die rijk zijn aan donkere materie, zoals het centrum van onze melkweg."

Eerdere studies hebben inderdaad aangetoond dat er meer gammastraling uit het galactische centrum komt dan verwacht, het voeden van enkele wetenschappelijke artikelen en mediaberichten die suggereren dat het signaal zou kunnen duiden op lang gezochte donkere materiedeeltjes. Echter, gammastraling wordt geproduceerd in een aantal andere kosmische processen, die moet worden uitgesloten voordat een conclusie over donkere materie kan worden getrokken. Dit is vooral een uitdaging omdat het galactische centrum extreem complex is, en astrofysici weten niet alle details van wat er in die regio gebeurt.

De meeste gammastraling van de Melkweg is afkomstig van gas tussen de sterren dat wordt verlicht door kosmische straling – geladen deeltjes die worden geproduceerd bij krachtige sterexplosies, supernova's genoemd. Dit creëert een diffuse gammastraling die zich door de melkweg uitstrekt. Gammastraling wordt ook geproduceerd door supernovaresten, pulsars - ingestorte sterren die "stralen" van gammastraling uitzenden zoals kosmische vuurtorens - en meer exotische objecten die verschijnen als lichtpunten.

"Twee recente onderzoeken door teams in de VS en Nederland hebben aangetoond dat de overmaat aan gammastraling in het galactische centrum gespikkeld is, niet vloeiend zoals we zouden verwachten voor een signaal van donkere materie, " zei Eric Charles van KIPAC, die hebben bijgedragen aan de nieuwe analyse. "Die resultaten suggereren dat de spikkels te wijten kunnen zijn aan puntbronnen die we met de LAT niet als individuele bronnen kunnen zien, omdat de dichtheid van gammastralingsbronnen erg hoog is en de diffuse gloed het helderst is in het galactische centrum."

Overblijfselen van oude sterren

De nieuwe studie tilt de eerdere analyses naar een hoger niveau, wat aantoont dat het gespikkelde gammastralingssignaal consistent is met pulsars.

"Aangezien ongeveer 70 procent van alle puntbronnen in de Melkweg pulsars zijn, zij waren de meest waarschijnlijke kandidaten, " zei Di Mauro. "Maar we gebruikten een van hun fysieke eigenschappen om tot onze conclusie te komen. Pulsars hebben zeer verschillende spectra - dat wil zeggen, hun emissies variëren op een specifieke manier met de energie van de gammastralen die ze uitzenden. Met behulp van de vorm van deze spectra, we waren in staat om de gloed van het galactische centrum correct te modelleren met een populatie van ongeveer 1, 000 pulsars en zonder processen te introduceren waarbij donkere materiedeeltjes betrokken zijn."

Het team plant nu vervolgonderzoeken met radiotelescopen om te bepalen of de geïdentificeerde bronnen hun licht uitstralen als een reeks korte lichtpulsen - het handelsmerk dat pulsars hun naam geeft.

Ontdekkingen in de halo van sterren rond het centrum van de melkweg - het oudste deel van de Melkweg - onthullen ook details over de evolutie van ons galactische huis, net zoals oude overblijfselen archeologen leren over de menselijke geschiedenis.

"Geïsoleerde pulsars hebben een typische levensduur van 10 miljoen jaar, die veel korter is dan de leeftijd van de oudste sterren nabij het galactische centrum, Charles zei. "Het feit dat we nog steeds gammastraling van de geïdentificeerde pulsarpopulatie kunnen zien, suggereert dat de pulsars zich in dubbelsterren bevinden met begeleidende sterren, waaruit ze energie halen. Dit verlengt de levensduur van de pulsars enorm."

Donkere materie blijft ongrijpbaar

De nieuwe resultaten dragen bij aan andere gegevens die de interpretatie van de overmaat aan gammastraling als een signaal van donkere materie in twijfel trekken.

"Als het signaal te wijten was aan donkere materie, we zouden verwachten dat we het ook in de centra van andere sterrenstelsels zouden zien, " zei Digel. "Het signaal zou bijzonder duidelijk moeten zijn in dwergstelsels die rond de Melkweg draaien. Deze sterrenstelsels hebben heel weinig sterren, hebben meestal geen pulsars en worden bij elkaar gehouden omdat ze veel donkere materie bevatten. Echter, we zien geen significante gammastraling van hen."

De onderzoekers geloven dat een recent ontdekte sterke gammastraling in het centrum van de Andromeda-melkweg, het grote sterrenstelsel dat zich het dichtst bij de Melkweg bevindt, kan ook worden veroorzaakt door pulsars in plaats van donkere materie.

Maar misschien is het laatste woord niet gesproken. Hoewel het Fermi-LAT-team een ​​groot gebied van 40 bij 40 graden rond het galactische centrum van de Melkweg bestudeerde (de diameter van de volle maan is ongeveer een halve graad), de extreem hoge dichtheid van bronnen in de binnenste vier graden maakt het erg moeilijk om individuele bronnen te zien en een gladde, donkere materie-achtige gammastraling, waardoor er beperkte ruimte is voor signalen van donkere materie om zich te verbergen.

Dit werk werd gefinancierd door NASA en het DOE Office of Science, evenals agentschappen en instituten in Frankrijk, Italië, Japan en Zweden.