De komende Laser Interferometer Space Antenna (LISA) zal een enorm instrument zijn waarmee astronomen fenomenen kunnen bestuderen, waaronder botsingen van zwarte gaten en zwaartekrachtgolven die door de ruimte-tijd bewegen. Onderzoekers van de Universiteit van Zürich hebben nu ontdekt dat LISA ook licht kan werpen op het ongrijpbare donkere materiedeeltje.

De Laser Interferometer Space Antenna (LISA) stelt astrofysici in staat om zwaartekrachtsgolven te observeren die worden uitgezonden door zwarte gaten wanneer ze botsen met andere zwarte gaten of ze vangen. LISA zal bestaan ​​uit drie ruimtevaartuigen die in een constante driehoeksformatie om de zon draaien. Zwaartekrachtsgolven die er doorheen gaan, zullen de zijden van de driehoek enigszins vervormen, en deze minimale vervormingen kunnen worden gedetecteerd door laserstralen die het ruimtevaartuig verbinden. LISA zou daarom een ​​nieuwe betekenis kunnen toevoegen aan de waarneming van het heelal door wetenschappers en hen in staat stellen fenomenen te bestuderen die onzichtbaar zijn in verschillende lichtspectra.

Wetenschappers van het Centrum voor Theoretische Astrofysica en Kosmologie van de Universiteit van Zürich, samen met collega's uit Griekenland en Canada, hebben nu ontdekt dat LISA niet alleen deze voorheen onbestudeerde golven kan meten, maar kan ook helpen om geheimen over donkere materie te onthullen.

Men denkt dat donkere materiedeeltjes ongeveer 85 procent van de materie in het heelal uitmaken. Echter, ze zijn nog steeds slechts hypothetisch - de naam verwijst naar hun ongrijpbaarheid. Maar berekeningen laten zien dat veel sterrenstelsels uit elkaar zouden worden gescheurd in plaats van te draaien als ze niet bij elkaar zouden worden gehouden door een grote hoeveelheid donkere materie.

Dat geldt vooral voor dwergstelsels. Hoewel zulke sterrenstelsels klein en zwak zijn, ze zijn ook de meest voorkomende in het universum. Wat ze vooral interessant maakt voor astrofysici, is dat hun structuren worden gedomineerd door donkere materie, waardoor ze natuurlijke laboratoria zijn voor het bestuderen van deze ongrijpbare vorm van materie.

Zwarte gaten en donkere materie zijn met elkaar verbonden

In een nieuwe studie gerapporteerd in Astrofysische journaalbrieven , UZH Ph.D. student Tomas Ramfal voerde computersimulaties met hoge resolutie uit van de geboorte van dwergsterrenstelsels, verrassende resultaten opleveren. Het samenspel van donkere materie berekenen, sterren en de centrale zwarte gaten van deze sterrenstelsels, het team van wetenschappers uit Zürich ontdekte een sterk verband tussen de fusiesnelheden van deze zwarte gaten en de hoeveelheid donkere materie in het centrum van dwergstelsels. Het meten van zwaartekrachtsgolven die worden uitgezonden door samensmeltende zwarte gaten kan dus hints geven over de eigenschappen van het hypothetische donkere-materiedeeltje.

Het nieuw gevonden verband tussen zwarte gaten en donkere materie kan nu voor het eerst wiskundig en exact worden beschreven. Lucio Mayer, de groepsleider, zegt, "Donkere materie is de onderscheidende kwaliteit van dwergsterrenstelsels. We hadden daarom lang het vermoeden dat dit ook een duidelijk effect zou hebben op kosmologische eigenschappen."

De verbinding komt op een geschikt moment, aangezien de voorbereidingen voor het definitieve ontwerp van LISA in volle gang zijn. De voorlopige resultaten van de simulaties van de onderzoekers werden enthousiast ontvangen tijdens de bijeenkomsten van het LISA-consortium. De natuurkundige gemeenschap ziet het nieuwe gebruik van waarnemingen van zwaartekrachtgolven als een veelbelovend nieuw vooruitzicht voor een van de grootste toekomstige Europese ruimtemissies, die naar verwachting over ongeveer 15 jaar zal worden gelanceerd en de kosmologie en deeltjesfysica zou kunnen verbinden - het ongelooflijk grote en het onvoorstelbaar kleine.