Astrofysici zijn een stap dichter bij het begrijpen van de oorsprong van een vage gloed van gammastraling die de nachtelijke hemel bedekt. Ze ontdekten dat dit licht helderder is in gebieden met veel materie en zwakker waar materie schaarser is - een correlatie die hen zou kunnen helpen de eigenschappen van exotische astrofysische objecten en onzichtbare donkere materie te verfijnen.

De gloed, bekend als onopgeloste gammastraling achtergrond, komt voort uit bronnen die zo vaag en ver weg zijn dat onderzoekers ze niet individueel kunnen identificeren. Nog, het feit dat de locaties waar deze gammastralen vandaan komen overeenkomen met waar massa wordt gevonden in het verre heelal, zou een belangrijk puzzelstukje kunnen zijn bij het identificeren van die bronnen.

"De achtergrond is de som van een heleboel dingen 'daarbuiten' die gammastraling produceren. Voor het eerst de correlatie met zwaartekrachtlenzen kunnen meten - kleine vervormingen van afbeeldingen van verre sterrenstelsels geproduceerd door de verdeling van materie - helpt wij ontwarren ze, " zei Simone Ammazzalorso van de Universiteit van Turijn en het Nationaal Instituut voor Kernfysica (INFN) in Italië, die de analyse heeft geleid.

De studie gebruikte een jaar aan gegevens van de Dark Energy Survey (DES), die optische beelden van de lucht maakt, en negen jaar aan gegevens van de Fermi Gamma-ray Space Telescope, dat kosmische gammastraling waarneemt terwijl het om de aarde draait.

"Wat echt intrigerend is, is dat de correlatie die we hebben gemeten niet helemaal overeenkomt met onze verwachtingen, " zei Panofsky-collega Daniel Gruen van het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy en Stanford University, die de analyse voor de DES-samenwerking leidde. "Dit zou kunnen betekenen dat we ofwel onze bestaande modellen moeten aanpassen voor objecten die gammastraling uitzenden, of het kan verwijzen naar andere bronnen, zoals donkere materie."

Het onderzoek is vandaag geaccepteerd voor publicatie in Fysieke beoordelingsbrieven .

Twee gevoelige 'ogen' op de lucht

Gammastraling, de meest energetische vorm van licht, wordt geproduceerd in een breed scala van kosmische verschijnselen - vaak extreem gewelddadige, zoals exploderende sterren, dichte neutronensterren die met hoge snelheden roteren en krachtige bundels deeltjes die uit actieve sterrenstelsels schieten waarvan de centrale superzware zwarte gaten materie opslokken.

Een andere potentiële bron is onzichtbare donkere materie, waarvan wordt aangenomen dat het 85 procent van alle materie in het universum uitmaakt. Het kan gammastralen produceren wanneer donkere materiedeeltjes elkaar in de ruimte ontmoeten en vernietigen.

De Large Area Telescope (LAT) aan boord van het Fermi-ruimtevaartuig is een zeer gevoelig "oog" voor gammastraling, en de gegevens ervan bieden een gedetailleerde kaart van gammastralingsbronnen in de lucht.

Maar als wetenschappers alle bronnen die ze al kennen aftrekken, hun kaart is verre van leeg; het bevat nog steeds een gammastralingsachtergrond waarvan de helderheid van regio tot regio varieert.

"Helaas hebben gammastralen geen label dat ons zou vertellen waar ze vandaan kwamen, "Zei Gruen. "Daarom hebben we aanvullende informatie nodig om hun oorsprong te ontrafelen."

Dat is waar DES om de hoek komt kijken. Met zijn 570-megapixel Dark Energy Camera, gemonteerd op de Victor M. Blanco 4-metertelescoop van het Cerro Tololo Inter-American Observatory in Chili, het maakt beelden van honderden miljoenen sterrenstelsels. Hun exacte vormen vertellen onderzoekers hoe de zwaartekracht van materie licht in het universum buigt - een effect dat zich laat zien als kleine vervormingen in melkwegbeelden, bekend als zwakke zwaartekrachtlensing. Op basis van deze gegevens, de DES-onderzoekers maken de meest gedetailleerde kaarten tot nu toe van materie in de kosmos.

In de nieuwe studie de wetenschappers legden de Fermi- en DES-kaarten op elkaar, waaruit bleek dat de twee niet onafhankelijk zijn. De onopgeloste gammastralingsachtergrond is intenser in gebieden met meer materie en minder intens in gebieden met minder materie.

"Het resultaat is op zich niet verrassend. We verwachten dat er meer gammastraling producerende processen zijn in regio's die meer materie bevatten, en we voorspellen deze correlatie al een tijdje, " zei Nicolao Fornengo, een van de supervisors van Ammazzalorso in Turijn. "Maar nu zijn we erin geslaagd om deze correlatie voor de eerste keer te detecteren, en we kunnen het gebruiken om te begrijpen wat de achtergrond van gammastraling veroorzaakt."

Mogelijke hint naar donkere materie

Een van de meest waarschijnlijke bronnen voor de gammastraling zijn zeer verre blazars - actieve sterrenstelsels met superzware zwarte gaten in hun centrum. Terwijl de zwarte gaten de omringende materie opslokken, ze spuwen hogesnelheidsstralen plasma en gammastralen die, als de jets op ons wijzen, worden gedetecteerd door het Fermi-ruimtevaartuig.

Blazars zou de eenvoudigste veronderstelling zijn, maar de nieuwe gegevens suggereren dat een eenvoudige populatie van blazars misschien niet genoeg is om de waargenomen correlatie tussen gammastralen en massaverdeling te verklaren, aldus de onderzoekers.

"In feite, onze modellen voor emissies van blazars kunnen het lage-energetische deel van de correlatie redelijk goed verklaren, maar we zien afwijkingen voor hoogenergetische gammastraling, " zei Gruen. "Dit kan verschillende dingen betekenen:het zou erop kunnen wijzen dat we onze modellen voor blazars moeten verbeteren of dat de gammastralen van andere bronnen kunnen komen."

Een van deze andere bronnen zou donkere materie kunnen zijn. Een toonaangevende theorie voorspelt dat het mysterieuze spul is gemaakt van zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes, of WIMP's, die elkaar kunnen vernietigen in een flits van gammastraling wanneer ze botsen. Gammastraling uit bepaalde materierijke kosmische gebieden zou daarom kunnen voortkomen uit deze deeltjesinteracties.

Het idee om te zoeken naar gammastraalsignaturen van vernietigende WIMP's is niet nieuw. Over de afgelopen jaren, wetenschappers hebben ernaar gezocht op verschillende locaties waarvan wordt aangenomen dat ze veel donkere materie bevatten, inclusief het centrum van de Melkweg en de begeleidende sterrenstelsels van de Melkweg. Echter, deze zoekopdrachten hebben nog geen identificeerbare signalen van donkere materie opgeleverd. De nieuwe resultaten kunnen worden gebruikt voor aanvullende zoekopdrachten die de WIMP-hypothese testen.

Volgende stappen plannen

Hoewel de kans dat de gemeten correlatie slechts een willekeurig effect is slechts ongeveer één op duizend is, de onderzoekers hebben meer data nodig voor een sluitende analyse.

"Deze resultaten, voor het eerst onze kaarten van gammastralen en materie verbinden, zijn zeer interessant en hebben veel potentieel, maar op dit moment is de verbinding nog relatief zwak, en men moet de gegevens zorgvuldig interpreteren, " zei KIPAC-directeur Risa Wechsler, die niet bij het onderzoek betrokken was.

Een van de belangrijkste beperkingen van de huidige analyse is de hoeveelheid beschikbare lensgegevens, zei Gruen. "Met gegevens van 40 miljoen sterrenstelsels, DES heeft dit al naar een nieuw niveau getild, en daarom konden we de analyse in de eerste plaats doen. Maar we hebben nog betere metingen nodig, " hij zei.

Met de volgende gegevensrelease, DES zal lensgegevens leveren voor 100 miljoen sterrenstelsels, en de toekomstige Large Synoptic Survey Telescope (LSST) zal kijken naar miljarden sterrenstelsels in een veel groter deel van de hemel.

"Onze studie toont met actuele gegevens aan dat we de correlatie tussen de verdeling van materie en gammastraling kunnen gebruiken om meer te weten te komen over de oorzaak van de gammastralingsachtergrond, " zei Fornengo. "Met meer DES-gegevens, LSST komt online en andere projecten zoals de Euclid-ruimtetelescoop aan de horizon, we zullen veel dieper kunnen gaan in ons begrip van de mogelijke bronnen."

Vervolgens, de wetenschappers kunnen misschien zien of een deel van die gammastraalgloed voortkomt uit de zelfvernietiging van donkere materie.

DES is een internationaal project met meer dan 400 wetenschappers van 25 instellingen in 7 landen, die bij elkaar zijn gekomen om het onderzoek uit te voeren. Delen van het project werden gefinancierd door DOE's Office of Science en de National Science Foundation. NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope is een internationaal en multi-agentschap ruimteobservatorium. De analyse maakte gebruik van Fermi-LAT-gegevens die openbaar zijn vrijgegeven door de internationale LAT-samenwerking.