Wetenschap
Donkere sterren:Donkere materie kan exploderende sterren vormen, en het observeren van de schade kan helpen onthullen waaruit deze bestaat
Donkere materie is een spookachtige substantie die astronomen al tientallen jaren niet hebben kunnen detecteren, maar waarvan we weten dat deze een enorme invloed heeft op normale materie in het universum, zoals sterren en sterrenstelsels. Door de enorme zwaartekracht die het op sterrenstelsels uitoefent, draait het ze omhoog, geeft ze een extra duw langs hun banen, of scheurt ze zelfs uit elkaar.
Net als een kosmische carnavalsspiegel buigt hij ook het licht van verre objecten om vervormde of meerdere beelden te creëren, een proces dat zwaartekrachtlenzen wordt genoemd.
En recent onderzoek suggereert dat het zelfs nog meer drama kan veroorzaken, door sterren te produceren die exploderen.
Ondanks alle verwoesting die het met sterrenstelsels aanricht, is er niet veel bekend over de vraag of donkere materie met zichzelf kan interageren, anders dan via de zwaartekracht. Als het andere krachten ervaart, moeten deze erg zwak zijn, anders zouden ze gemeten zijn.
Een mogelijke kandidaat voor een deeltje van donkere materie, bestaande uit een hypothetische klasse van zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes (of WIMPs), is tot nu toe intensief bestudeerd, zonder enig observationeel bewijs.
Onlangs zijn andere soorten deeltjes, die ook zwak op elkaar inwerken maar extreem licht zijn, het middelpunt van de aandacht geworden. Deze deeltjes, axionen genoemd, werden eind jaren zeventig voor het eerst voorgesteld om een kwantumprobleem op te lossen, maar ze zouden ook geschikt kunnen zijn voor donkere materie.
In tegenstelling tot WIMP's, die niet aan elkaar kunnen "kleven" om kleine objecten te vormen, kunnen axions dit wel doen. Omdat ze zo licht zijn, zou een groot aantal axionen alle donkere materie moeten verklaren, wat betekent dat ze op elkaar zouden moeten worden gepropt. Maar omdat ze een soort subatomair deeltje zijn dat bekend staat als een boson, vinden ze dat niet erg.
Uit berekeningen blijkt zelfs dat axionen zo dicht bij elkaar kunnen liggen dat ze zich vreemd gaan gedragen (collectief gedragen als een golf) volgens de regels van de kwantummechanica, de theorie die de microwereld van atomen en deeltjes regeert. Deze toestand wordt een Bose-Einstein-condensaat genoemd en kan er, onverwachts, voor zorgen dat axionen zelf 'sterren' vormen.
Dit zou gebeuren wanneer de golf uit zichzelf beweegt en vormt wat natuurkundigen een 'soliton' noemen, wat een gelokaliseerde klomp energie is die kan bewegen zonder vervormd of verspreid te worden. Dit zie je op aarde vaak in draaikolken en draaikolken, of in de bellenringen waar dolfijnen onder water van genieten.
De nieuwe studie levert berekeningen op die aantonen dat dergelijke solitonen uiteindelijk in omvang zouden toenemen en een ster zouden worden die qua grootte vergelijkbaar zou zijn met of groter zou zijn dan een normale ster. Maar uiteindelijk worden ze onstabiel en exploderen.
De energie die vrijkomt bij zo'n explosie (een "bosenova" genoemd) zou kunnen wedijveren met die van een supernova (een exploderende normale ster). Gezien het feit dat donkere materie veel groter is dan de zichtbare materie in het universum, zou dit zeker een teken achterlaten in onze waarnemingen van de hemel. Dergelijke littekens moeten we nog vinden, maar de nieuwe studie geeft ons iets om naar te zoeken.
Een observatietest
De onderzoekers achter het onderzoek zeggen dat het omringende gas, gemaakt van normale materie, deze extra energie van de explosie zou absorberen en een deel ervan terug zou uitstoten. Omdat het grootste deel van dit gas uit waterstof bestaat, weten we dat dit licht in radiofrequenties zou moeten voorkomen.
Opwindend genoeg kunnen toekomstige waarnemingen met de Square Kilometre Array radiotelescoop dit mogelijk opmerken.
Hoewel het vuurwerk van explosies van donkere sterren misschien aan ons zicht onttrokken is, kunnen we de nasleep ervan misschien in de zichtbare materie vinden. Het mooie hiervan is dat een dergelijke ontdekking ons zou helpen uit te zoeken waaruit donkere materie eigenlijk bestaat – in dit geval hoogstwaarschijnlijk axies.
Wat als observaties het voorspelde signaal niet detecteren? Dat zal deze theorie waarschijnlijk niet volledig uitsluiten, omdat andere "axion-achtige" deeltjes nog steeds mogelijk zijn. Als de detectie mislukt, kan dit er echter op wijzen dat de massa's van deze deeltjes heel verschillend zijn, of dat ze niet zo sterk met straling paren als we dachten.
In feite is dit al eerder gebeurd. Oorspronkelijk werd gedacht dat axionen zo sterk zouden koppelen dat ze het gas in sterren zouden kunnen afkoelen. Maar omdat modellen van sterkoeling aantoonden dat sterren prima functioneerden zonder dit mechanisme, moest de kracht van de axionkoppeling lager zijn dan aanvankelijk werd aangenomen.
Er is uiteraard geen garantie dat donkere materie uit axionen bestaat. WIMP's zijn nog steeds kanshebbers in deze race, en er zijn er ook meer.
Sommige onderzoeken suggereren overigens dat WIMP-achtige donkere materie ook ‘donkere sterren’ zou kunnen vormen. In dit geval zouden de sterren nog steeds normaal zijn (gemaakt van waterstof en helium), waarbij donkere materie ze alleen maar van energie voorziet.
Er wordt voorspeld dat deze door WIMP aangedreven donkere sterren superzwaar zijn en slechts korte tijd in het vroege heelal zullen leven. Maar ze konden worden waargenomen door de James Webb-ruimtetelescoop. Een recente studie heeft drie van dergelijke ontdekkingen geclaimd, hoewel de jury er nog niet uit is of dat werkelijk het geval is.
Niettemin groeit de opwinding over axions en zijn er veel plannen om ze te detecteren. Er wordt bijvoorbeeld verwacht dat axionen in fotonen worden omgezet wanneer ze door een magnetisch veld gaan. Waarnemingen van fotonen met een bepaalde energie richten zich dus op sterren met magnetische velden, zoals neutronensterren, of zelfs op de zon.
Op theoretisch vlak zijn er pogingen om de voorspellingen te verfijnen van hoe het universum eruit zou zien met verschillende soorten donkere materie. Axionen kunnen bijvoorbeeld worden onderscheiden van WIMP's door de manier waarop ze het licht buigen via zwaartekrachtlenzen.
Met betere observaties en theorie hopen we dat het mysterie van donkere materie binnenkort zal worden ontsluierd.