Hoe snel raast de donkere materie in de buurt van de aarde rond? De snelheid van donkere materie heeft verstrekkende gevolgen voor modern astrofysisch onderzoek, maar deze fundamentele eigenschap is onderzoekers jarenlang ontgaan.

In een paper gepubliceerd op 22 januari in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , een internationaal team van astrofysici gaf de eerste aanwijzing:de oplossing voor dit mysterie, het blijkt, bevindt zich tussen enkele van de oudste sterren in de melkweg.

"Eigenlijk, deze oude sterren fungeren als zichtbare snelheidsmeters voor de onzichtbare donkere materie, het meten van de snelheidsverdeling in de buurt van de aarde, " zei Mariangela Lisanti, een assistent-professor natuurkunde aan de Princeton University. "Je kunt de oudste sterren zien als een lichtgevende tracer voor de donkere materie. De donkere materie zelf zullen we nooit zien, omdat het geen waarneembaar licht uitstraalt - het is gewoon onzichtbaar voor ons, daarom was het zo moeilijk om er iets concreets over te zeggen."

Om te bepalen welke sterren zich gedragen als de onzichtbare en niet-detecteerbare donkere materiedeeltjes, Lisanti en haar collega's wendden zich tot een computersimulatie, eris, die supercomputers gebruikt om de fysica van het Melkwegstelsel te repliceren, inclusief donkere materie.

"Onze hypothese was dat er een subset van sterren is die, om de een of andere reden, zal overeenkomen met de bewegingen van de donkere materie, " zei Jonah Herzog-Arbeitman, een undergraduate en een co-auteur op het papier. Zijn werk met Lisanti en haar collega's de zomer na zijn eerste jaar bij Princeton veranderde in een van zijn junior papers en droeg bij aan dit tijdschriftartikel.

Herzog-Arbeitman en Lina Necib van het California Institute of Technology, een andere co-auteur op het papier, genereerde talloze plots van Eris-gegevens die verschillende eigenschappen van donkere materie vergeleken met eigenschappen van verschillende subsets van sterren.

Hun grote doorbraak kwam toen ze de snelheid van donkere materie vergeleken met die van sterren met verschillende "metalliciteiten, " of verhoudingen van zware metalen tot lichtere elementen.

De curve die donkere materie voorstelt, kwam prachtig overeen met de sterren met de minste zware metalen:"We zagen alles op één lijn liggen, ' zei Lisanti.

"Het was een van die geweldige voorbeelden van een redelijk redelijk idee dat verdomd goed werkte, ' zei Herzog-Arbeitman.

Astronomen weten al tientallen jaren dat metalliciteit kan dienen als een indicatie voor de leeftijd van een ster, aangezien metalen en andere zware elementen worden gevormd in supernova's en de fusies van neutronensterren. De kleine sterrenstelsels die met de Melkweg zijn versmolten, bevatten doorgaans relatief minder van deze zware elementen.

Achteraf gezien, de correlatie tussen donkere materie en de oudste sterren zou niet verrassend moeten zijn, zei Necib. "De donkere materie en deze oude sterren hebben dezelfde beginvoorwaarden:ze zijn op dezelfde plaats begonnen en ze hebben dezelfde eigenschappen ... dus aan het eind van de dag, het is logisch dat ze allebei alleen door zwaartekracht worden beïnvloed, " ze zei.

Waarom het uitmaakt

Sinds 2009, onderzoekers hebben geprobeerd donkere materie rechtstreeks te observeren, door zeer dicht materiaal - vaak xenon - diep onder de grond te plaatsen en te wachten tot de donkere materie die door de planeet stroomt ermee in wisselwerking staat.

Lisanti vergeleek deze experimenten met "directe detectie" met een spelletje biljart:"Als een donkeremateriedeeltje van een kern in een atoom verstrooit, de botsing is vergelijkbaar met twee biljartballen die elkaar raken. Als het donkere materiedeeltje veel minder zwaar is dan de kern, dan zal de kern niet veel bewegen na de botsing, waardoor het heel moeilijk is om te merken dat er iets is gebeurd."

Daarom is het zo belangrijk om de snelheid van donkere materie te beperken, ze legde uit. Als donkere materiedeeltjes zowel langzaam als licht zijn, ze hebben misschien niet genoeg kinetische energie om de nucleaire "biljartballen" te verplaatsen, zelfs als ze er precies tegenaan botsen.

"Maar als de donkere materie sneller binnenkomt, het zal meer kinetische energie hebben. Dat kan de kans vergroten dat bij die aanrijding, de terugslag van de kern zal groter zijn, zodat je het zou kunnen zien, ' zei Lisanti.

Oorspronkelijk, wetenschappers hadden verwacht genoeg deeltjesinteracties te zien - genoeg bewegende biljartballen - om de massa en snelheid van de donkere materiedeeltjes te kunnen afleiden. Maar, Lisanti zei, "we hebben nog niets gezien."

Dus in plaats van de interacties te gebruiken om de snelheid te bepalen, onderzoekers zoals Lisanti en haar collega's hopen het script om te draaien, en gebruik de snelheid om uit te leggen waarom de directe detectie-experimenten nog niets hebben gedetecteerd.

Het mislukken - althans tot nu toe - van de directe detectie-experimenten leidt tot twee vragen, zei Lisanti. 'Hoe kom ik er ooit achter wat de snelheden van deze dingen zijn?' en "Hebben we niets gezien omdat er iets anders in de snelheidsverdeling zit dan we hadden verwacht?"

Het hebben van een volledig onafhankelijke manier om de snelheid van donkere materie te bepalen, zou daar licht op kunnen werpen, ze zei. Maar tot nu toe, het is alleen theoretisch. Astronomie uit de echte wereld heeft de schat aan gegevens die door de Eris-simulatie zijn geproduceerd, niet ingehaald. dus Lisanti en haar collega's weten nog niet hoe snel de oudste sterren van ons melkwegstelsel bewegen.

Gelukkig, die informatie wordt nu verzameld door de Gaia-telescoop van de European Space Agency, die sinds juli 2014 de Melkweg scant. informatie over slechts een kleine subset van sterren is vrijgegeven, maar de volledige dataset zal veel meer gegevens bevatten over bijna een miljard sterren.

"De schat aan gegevens aan de horizon van huidige en toekomstige sterrenonderzoeken zal een unieke kans bieden om deze fundamentele eigenschap van donkere materie te begrijpen, ' zei Lisanti.