85 procent van het heelal bestaat uit donkere materie, maar we weten niet wat, precies, het is.

Een nieuwe studie van de Universiteit van Michigan, Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en de Universiteit van Californië, Berkeley heeft uitgesloten dat donkere materie verantwoordelijk is voor mysterieuze elektromagnetische signalen die eerder zijn waargenomen van nabije sterrenstelsels. Voorafgaand aan dit werk waren er hoge verwachtingen dat deze signalen natuurkundigen hard bewijs zouden geven om donkere materie te helpen identificeren.

Donkere materie kan niet direct worden waargenomen omdat het niet absorbeert, licht reflecteren of uitstralen, maar onderzoekers weten dat het bestaat vanwege het effect dat het heeft op andere zaken. We hebben donkere materie nodig om de zwaartekracht te verklaren die sterrenstelsels bij elkaar houdt, bijvoorbeeld.

Natuurkundigen hebben gesuggereerd dat donkere materie een nauw verwante neef is van het neutrino, het steriele neutrino genoemd. Neutrino's - subatomaire deeltjes zonder lading en die zelden interactie hebben met materie - komen vrij tijdens kernreacties die plaatsvinden in de zon. Ze hebben een kleine hoeveelheid massa, maar deze massa wordt niet verklaard door het standaardmodel van deeltjesfysica. Natuurkundigen suggereren dat het steriele neutrino, een hypothetisch deeltje, zou deze massa kunnen verklaren en ook donkere materie kunnen zijn.

Onderzoekers moeten het steriele neutrino kunnen detecteren omdat het onstabiel is, zegt Ben Safdi, co-auteur en een assistent-professor natuurkunde aan de U-M. Het vervalt in gewone neutrino's en elektromagnetische straling. Om donkere materie te detecteren, dan, natuurkundigen scannen sterrenstelsels om op deze elektromagnetische straling te jagen in de vorm van röntgenstraling.

In 2014, een baanbrekend werk ontdekte overtollige röntgenstraling van nabijgelegen sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. De emissie leek in overeenstemming te zijn met die welke zou ontstaan ​​uit rottende steriele donkere materie van neutrino's, zei Safdi.

Nutsvoorzieningen, een meta-analyse van onbewerkte gegevens, genomen door de XMM-Newton-ruimteröntgentelescoop van objecten in de Melkweg over een periode van 20 jaar, heeft geen bewijs gevonden dat het steriele neutrino is wat donkere materie omvat. Het onderzoeksteam omvat U-M-promovendus Christopher Dessert en Nicholas Rodd, een natuurkundige bij de Berkley Lab-theoriegroep en het Berkley Center for Theoretical Physics. Hun resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

"Deze paper en follow-up van 2014 bevestigden dat het signaal een aanzienlijke hoeveelheid interesse opwekte in de astrofysica en deeltjesfysica-gemeenschappen vanwege de mogelijkheid om te weten, Voor de eerste keer, wat donkere materie precies is op microscopisch niveau, " zei Safdi. "Onze bevinding betekent niet dat de donkere materie geen steriel neutrino is, maar het betekent dat - in tegenstelling tot wat in 2014 werd beweerd - er tot op heden geen experimenteel bewijs is dat wijst op het bestaan ​​ervan."

Ruimtegebaseerde röntgentelescopen zoals de XMM-Newton-telescoop, wijzen op donkere materierijke omgevingen om te zoeken naar deze zwakke elektromagnetische straling in de vorm van röntgensignalen. De ontdekking van 2014 noemde de röntgenstraling de "3,5 keV-lijn" - keV staat voor kilo-elektronvolt - vanwege waar het signaal op röntgendetectoren verscheen.

Het onderzoeksteam zocht naar deze lijn in onze eigen Melkweg met behulp van 20 jaar aan archiefgegevens die werden verzameld door de XMM-Newton-ruimteröntgentelescoop. Natuurkundigen weten dat donkere materie zich verzamelt rond sterrenstelsels, dus toen eerdere analyses keken naar nabije sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, elk van die afbeeldingen zou een kolom van de halo van donkere materie in de Melkweg hebben vastgelegd.

Het team gebruikte die beelden om naar het 'donkerste' deel van de Melkweg te kijken. Dit verbeterde de gevoeligheid van eerdere analyses op zoek naar steriele donkere materie van neutrino aanzienlijk, zei Safdi.

"Overal waar we kijken, er zou een stroom van donkere materie uit de halo van de Melkweg moeten zijn, " zei Rodd van Berkeley Lab, vanwege de locatie van ons zonnestelsel in de melkweg. "We maakten gebruik van het feit dat we in een halo van donkere materie leven" in het onderzoek.

Christoffel Dessert, een studie co-auteur die een natuurkundig onderzoeker en Ph.D. student aan de UM, genoemde melkwegclusters waar de 3,5 keV-lijn is waargenomen, hebben ook grote achtergrondsignalen, die als ruis dienen bij waarnemingen en het moeilijk kunnen maken om specifieke signalen te lokaliseren die verband kunnen houden met donkere materie.

"De reden waarom we door de galactische halo van donkere materie van ons Melkwegstelsel kijken, is dat de achtergrond veel lager is, ' zei Dessert.

Bijvoorbeeld, XMM-Newton heeft opnamen gemaakt van geïsoleerde objecten zoals individuele sterren in de Melkweg. De onderzoekers namen deze beelden en maskeerden de objecten van oorspronkelijk belang, ongerepte en donkere omgevingen achterlatend om te zoeken naar de gloed van het verval van donkere materie. Door 20 jaar van dergelijke waarnemingen te combineren, kon een sonde van steriele neutrino-donkere materie tot ongekende niveaus worden bereikt.

Als steriele neutrino's donkere materie waren, en als hun verval leidde tot een emissie van de 3,5 keV-lijn, Safdi en zijn collega-onderzoekers hadden die lijn in hun analyse moeten observeren. Maar ze vonden geen bewijs voor steriele donkere materie van neutrino's.

"Terwijl dit werk doet, helaas, gooi koud water op wat leek op wat misschien het eerste bewijs was voor de microscopische aard van donkere materie, het opent een geheel nieuwe benadering van het zoeken naar donkere materie die in de nabije toekomst tot een ontdekking zou kunnen leiden, ' zei Safdi.