Donkere materie is het toepasselijk genaamde onzichtbare materiaal dat het grootste deel van de materie in ons universum vormt. Maar waar donkere materie van gemaakt is, is een kwestie van debat.

Wetenschappers hebben donkere materie nooit rechtstreeks gedetecteerd. Maar in de loop van tientallen jaren ze hebben een verscheidenheid aan theorieën voorgesteld over welk type materiaal - van nieuwe deeltjes tot oerzwarte gaten - donkere materie zou kunnen bevatten en de vele effecten ervan op normale materie kunnen verklaren. In een paper gepubliceerd op 20 juli in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , een internationaal team van kosmologen gebruikt gegevens van het intergalactische medium - de uitgestrekte, grotendeels lege ruimte tussen sterrenstelsels - om te bepalen wat donkere materie zou kunnen zijn.

De bevindingen van het team doen twijfel rijzen over een relatief nieuwe theorie genaamd "fuzzy dark matter, " en in plaats daarvan geloofwaardigheid verlenen aan een ander model dat "koude donkere materie" wordt genoemd. vooral als onderzoekers een duidelijk idee hebben van wat voor soort eigenschappen ze moeten zoeken.

"Al decenia, theoretische natuurkundigen hebben geprobeerd de eigenschappen te begrijpen van de deeltjes en krachten waaruit donkere materie bestaat, " zei hoofdauteur Vid Iršič, een postdoctoraal onderzoeker bij de afdeling Sterrenkunde aan de Universiteit van Washington. "Wat we hebben gedaan, is beperkingen stellen aan wat donkere materie zou kunnen zijn - en 'vage donkere materie, ' als het alle donkere materie zou vormen, komt niet overeen met onze gegevens."

Wetenschappers hadden zowel de "vage" als de "koude" donkere-materietheorieën opgesteld om de effecten te verklaren die donkere materie lijkt te hebben op sterrenstelsels en het intergalactische medium daartussen.

Koude donkere materie is de oudste van deze twee theorieën, daterend uit de jaren 80, en is momenteel het standaardmodel voor donkere materie. Het stelt dat donkere materie bestaat uit een relatief massieve, langzaam bewegend type deeltje met "zwak interagerende" eigenschappen. Het helpt de unieke, grootschalige structuur van het heelal, zoals waarom sterrenstelsels de neiging hebben om in grotere groepen te clusteren.

Maar de theorie van koude donkere materie heeft ook enkele nadelen en inconsistenties. Bijvoorbeeld, het voorspelt dat ons eigen Melkwegstelsel honderden satellietstelsels in de buurt zou moeten hebben. In plaats daarvan, we hebben slechts enkele tientallen kleine, naaste buren.

De nieuwere vage donkere-materietheorie ging in op de tekortkomingen van het koude donkere-materiemodel. Volgens deze theorie is donkere materie bestaat uit een ultralicht deeltje, in plaats van een zware, en heeft ook een uniek kenmerk met betrekking tot de kwantummechanica. Voor veel van de fundamentele deeltjes in ons universum, hun grootschalige bewegingen - reisafstanden van meters, mijlen en verder - kan worden verklaard met behulp van de principes van de 'klassieke' Newtoniaanse fysica. Kleine bewegingen uitleggen, zoals op subatomair niveau, vereist de complexe en vaak tegenstrijdige principes van de kwantummechanica. Maar voor het ultralichte deeltje voorspeld in de vage donkere materie-theorie, bewegingen op ongelooflijk grote schaal - zoals van het ene uiteinde van een sterrenstelsel naar het andere - vereisen ook kwantummechanica.

Met deze twee theorieën over donkere materie in gedachten, Iršič en zijn collega's wilden de hypothetische eigenschappen van donkere materie modelleren op basis van relatief nieuwe waarnemingen van het intergalactische medium, of IGM. De IGM bestaat grotendeels uit donkere materie - wat dat ook mag zijn - samen met waterstofgas en een kleine hoeveelheid helium. De waterstof in IGM absorbeert licht dat van veraf wordt uitgezonden, heldere objecten, en astronomen hebben deze absorptie decennialang bestudeerd met behulp van op aarde gebaseerde instrumenten.

Het team keek naar hoe de IGM interageerde met licht dat door quasars wordt uitgezonden, die ver zijn, enorm, sterachtige objecten. Eén set gegevens kwam van een onderzoek onder 100 quasars door de European Southern Observatory in Chili. Het team omvatte ook waarnemingen van 25 quasars door het Las Campanas Observatorium in Chili en de W.M. Keck-observatorium in Hawaï.

Met behulp van een supercomputer aan de Universiteit van Cambridge, Iršič en co-auteurs simuleerden de IGM en berekenden welk type donkeremateriedeeltje consistent zou zijn met de quasargegevens. Ze ontdekten dat een typisch deeltje dat wordt voorspeld door de vage donkere-materietheorie simpelweg te licht is om de waterstofabsorptiepatronen in de IGM te verklaren. Een zwaarder deeltje - vergelijkbaar met de voorspellingen van de traditionele theorie van koude donkere materie - komt meer overeen met hun simulaties.

"De massa van dit deeltje moet groter zijn dan wat mensen oorspronkelijk hadden verwacht, gebaseerd op de vage donkere materie-oplossingen voor problemen rond onze melkweg en andere, " zei Iršič.

Een ultralicht "fuzzy" deeltje zou nog steeds kunnen bestaan. Maar het kan niet verklaren waarom galactische clusters zich vormen, of andere vragen zoals het gebrek aan satellietstelsels rond de Melkweg, zei Iršič. Een zwaarder "koud" deeltje blijft consistent met de astronomische waarnemingen en simulaties van de IGM, hij voegde toe.

De resultaten van het team pakken niet alle al lang bestaande nadelen van het koude donkere materie-model aan. Maar Iršič is van mening dat verdere ontginning van gegevens van de IGM kan helpen bij het oplossen van het type - of typen - deeltjes waaruit donkere materie bestaat. In aanvulling, sommige wetenschappers geloven dat er geen problemen zijn met de theorie van koude donkere materie. In plaats daarvan, wetenschappers begrijpen misschien gewoon niet de complexe krachten die aan het werk zijn in de IGM, Iršič toegevoegd.

"Hoe dan ook, de IGM blijft een rijke basis voor het begrijpen van donkere materie, " zei Iršič.

Co-auteurs van het papier zijn Matteo Viel van de International School for Advanced Studies in Italië, het Astronomisch Observatorium van Triëst en het Nationaal Instituut voor Kernfysica in Italië; Martin Haehnelt van de Universiteit van Cambridge; James Bolton van de Universiteit van Nottingham; en George Becker van de Universiteit van Californië, Rivieroever. Het werk werd gefinancierd door de National Science Foundation, het Nationaal Instituut voor Kernfysica in Italië, de Europese Onderzoeksraad, het Nationaal Instituut voor Astrofysica in Italië, de Royal Society in het Verenigd Koninkrijk en de Kavli Foundation.