Begin jaren ’30 bestudeerde de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky de zogeheten Coma-cluster: een opeenhoping van tienduizend sterrenstelsels die om een gemeenschappelijk zwaartepunt draaien. Daarbij ontdekte hij dat de daarin aanwezige lichtgevende materie veel sneller bewoog dan je op grond van hun gezamenlijke aantrekkingskracht zou mogen verwachten. Zwicky leidde daaruit af dat de cluster naast lichtgevende materie nog een grote hoeveelheid donkere materie zou moeten bevatten. Nu, bijna honderd jaar later, heeft NASA-ruimtetelescoop Fermi mogelijk direct bewijs gevonden voor het bestaan van deze donkere materie (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, 26 november).
Sinds haar ontdekking is de donkere materie eigenlijk altijd een raadsel gebleven. Tot nu toe konden astronomen haar alleen indirect waarnemen via de aantrekkingskracht die zij op zichtbare materie uitoefent. Dat donkere materie niet rechtstreeks kan worden waargenomen, komt doordat zij bestaat uit deeltjes die geen interacties aangaan met elektromagnetische krachten, wat inhoudt dat zij geen licht absorbeert, weerkaatst of uitzendt.
Er bestaan talloze theorieën over de ware aard van de donkere materie, maar veel onderzoekers denken dat zij bestaat uit zogeheten zwak wisselwerkende zware deeltjes, die in het Engels kortweg WIMP’s worden genoemd. Deze deeltjes zouden zwaarder zijn dan protonen, maar gaan nauwelijks interacties aan met andere materie. Ondanks dit gebrek aan wisselwerking, wordt voorspeld dat wanneer twee WIMP’s met elkaar in botsing komen, de beide deeltjes elkaar zullen vernietigen. En bij dit proces komen andere deeltjes vrij, waaronder fotonen van gammastraling.
De speurtocht naar donkere materie richt zich met name op plekken waar zich veel donkere materie heeft verzameld, zoals het centrum van ons Melkwegstelsel. Met behulp van de nieuwste gegevens van de Fermi-ruimtetelescoop, die kosmische gammastraling detecteert, denkt professor Tomonori Totani van de Universiteit van Tokio (Japan) dat hij nu eindelijk de specifieke gammastraling heeft ontdekt die wordt toegeschreven aan botsende donkere materiedeeltjes.
‘We hebben gammastraling gedetecteerd met een fotonenergie van twintig miljard elektronvolt (een extreem grote hoeveelheid energie) die zich uitstekt over een halo-achtige structuur in de richting van het Melkwegcentrum. De kenmerken van deze gammastraling komen sterk overeen met wat wordt verwacht bij zo’n halo van donkere materie’, aldus Totani.
Het waargenomen energiespectrum komt overeen met de emissie die wordt voorspeld bij de annihilatie van WIMP’s die ongeveer vijfhonderd keer zoveel massa hebben als een proton. Ook het aantal waargenomen WIMP-annihilaties – afgeleid uit de gemeten intensiteit van de gammastraling – valt binnen de marge van de theoretische voorspellingen. Belangrijk is ook dat de detecties van gammastraling zich niet gemakkelijk laten verklaren met andere, meer gangbare astronomische verschijnselen. Daarom beschouwt Totani deze gegevens als een sterke aanwijzing voor het bestaan van de langgezochte gammastraling afkomstig van donkere materie.
‘Als dit klopt, zou het, voor zover ik weet, de eerste keer zijn dat de mensheid donkere materie ‘ziet’. En dan zou de oorzaak ook nog eens liggen bij een deeltje dat geen deel uitmaakt van het huidige standaardmodel van de deeltjesfysica. Dat zou een belangrijke ontwikkeling zijn in de natuur- en sterrenkunde’, aldus Totani. (EE)
After nearly 100 years, scientists may have detected dark matter