De theorie dat donkere materie zou kunnen worden gemaakt van oer-zwarte gaten van een fractie van een millimeter groot, is uitgesloten door een team van onderzoekers onder leiding van het Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU).

1974, natuurkundige Stephen Hawking beschreef hoe oerzwarte gaten zich in een fractie van een seconde na de oerknal hadden kunnen vormen. Primordiale zwarte gaten kunnen massa's hebben variërend van een klein stipje tot 100, 000 keer onze zon. In tegenstelling tot, door astronomische waarnemingen gedetecteerde superzware zwarte gaten begonnen zich minstens honderdduizenden jaren later te vormen, en zijn miljoenen of miljarden keer groter dan onze zon. Omdat oer-zwarte gaten van welke grootte dan ook niet zijn gedetecteerd, ze waren een intrigerende kandidaat voor ongrijpbare donkere materie.

Voor zover we nu weten, baryonische materie vormt slechts 5 procent van alle materie in het universum. De rest is ofwel donkere materie (27 procent) of donkere energie (68 procent), die beide nog niet fysiek zijn gedetecteerd. Maar onderzoekers zijn ervan overtuigd dat donkere materie bestaat omdat we het effect ervan op ons universum kunnen zien. Zonder de zwaartekracht van donkere materie, de sterren in ons Melkwegstelsel zouden uit elkaar vliegen.

Om de theorie te testen dat oerzwarte gaten, specifiek die over de massa van de maan of minder, zou donkere materie kunnen zijn, Kavli IPMU-onderzoekers Masahiro Takada, Naoki Yasuda, Hiroko Niikura en medewerkers uit Japan, India en de VS zochten naar deze kleine zwarte gaten tussen de aarde en de Andromeda Galaxy, het meest nabije buurstelsel van de Melkweg, 2,5 miljoen lichtjaar verwijderd.

"Wat me in dit project interesseerde, was de enorme impact die het zou hebben op het blootleggen van de aard van donkere materie, ", zegt Niikura. "Het ontdekken van oerzwarte gaten zou een historische prestatie zijn. Zelfs een negatief resultaat zou waardevolle informatie zijn voor onderzoekers die het scenario van hoe het universum begon samen te stellen."

Om zwarte gaten te zoeken, het team gebruikte het zwaartekrachtlenseffect. Zwaartekrachtlenzen werden voor het eerst uitgelegd door Albert Einstein, die zei dat het mogelijk was om een ​​afbeelding van een ver object te maken, zoals een ster, vervormd raken door het zwaartekrachtseffect van een massief object tussen de ster en de aarde. De zwaartekracht van het massieve object zou kunnen werken als een vergrootglaslens, het licht van de ster buigen en het voor menselijke waarnemers op aarde helderder of vervormd laten lijken.

Omdat een ster een zwart gat en de aarde bewegen constant in de interstellaire ruimte, een ster zou geleidelijk helderder worden, dan zwakker voor waarnemers op aarde, terwijl het over het pad van een zwaartekrachtlens beweegt. Dus maakten de onderzoekers 190 opeenvolgende beelden van de hele Andromeda Galaxy, dankzij de Hyper Suprime-Cam digitale camera op de Subaru Telescope in Hawaii. Als donkere materie is gemaakt van oerzwarte gaten en, in dit geval, die lichter zijn dan de maan, de onderzoekers verwachtten er 1, 000 zwaartekracht microlenzen. Ze berekenden deze schatting door aan te nemen dat donkere materie in de halo van het hele melkwegstelsel bestaat uit oerzwarte gaten, en rekening houdend met het aantal sterren in de Andromeda Galaxy dat kan worden beïnvloed door een oerzwart gat, en ten slotte de kans dat hun apparatuur een zwaartekracht-microlens-gebeurtenis vastlegt.

De telescoop fotografeerde 90 miljoen sterren. Het duurde twee jaar voordat het team alle ruis en niet-zwaartekrachtlensgebeurtenissen uit de gegevens had gefilterd. Uiteindelijk, ze konden maar één ster identificeren die oplichtte en vervolgens gedimd werd - wat een mogelijk oerzwart gat suggereert - wat betekent dat het onwaarschijnlijk is dat ze allemaal uit donkere materie bestaan.

Toch, Niikura legt uit dat er nog veel te leren valt over oer-zwarte gaten. De onderzoekers hadden de theorie alleen ontkracht voor een specifieke massa:zwarte gaten met een massa gelijk aan of kleiner dan de maan. Eerdere studies hebben andere massa's uitgesloten, of in hoeverre ze donkere materie zouden kunnen verklaren. Maar er is nog steeds een kans dat er oer-zwarte gaten van verschillende groottes zijn. De analytische benadering die door het Kavli-team is ontwikkeld, zou kunnen worden gebruikt in toekomstige primordiale zwart-gatstudies, inclusief proberen te bepalen of zwarte gaten ontdekt door de Laser Interferometer Gravitational Wave-Observatory (LIGO) in de VS in feite primordiaal zouden kunnen zijn.