De grote hoeveelheid straling die in het centrum van de Melkweg zit, is niet het gevolg van op elkaar gecrashte donkere materie. Nu dat duidelijk is, beperkt dat de eigenschappen die donkere materie kan hebben.
Zo’n tien jaar geleden ontdekten astronomen dat het centrum van ons sterrenstelsel opvallend veel gammastraling bevat. Donkere-materie-jagers waren in rep en roer over deze vondst, want een extra hoeveelheid straling is precies wat je zou verwachten als zich hier donkere materie schuilhoudt. Nieuw onderzoek laat nu echter zien dat donkere materie toch niet goed in de stralingspuzzel past.
WIMP
Fysici weten nog niet wat donkere materie is. Toch zijn ze er vrij zeker van dat het spul moet bestaan, omdat het met zijn zwaartekracht invloed uitoefent op zijn omgeving. Het trekt bijvoorbeeld aan sterren in sterrenstelsels, die zonder donkere materie uit de bocht zouden vliegen.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Over de aard van donkere materie bestaan verschillende theorieën. De populairste donkere-materie-kandidaat is de WIMP, het weakly interacting massive particle. WIMP’s zijn deeltjes die niet onderhevig zijn aan elektromagnetische krachten, maar alleen door de zwaartekracht worden beïnvloed.
Als deze deeltjes daadwerkelijk bestaan, dan zouden ze op elkaar kunnen botsen en daarbij uiteenspatten tot energierijke straling die de ruimte in vliegt. Als de straling in het galactisch centrum van zulke destructieve donkere-materie-botsingen afkomstig is, zouden astronomen bovendien deze botsingen kunnen reconstrueren en zo achterhalen wat de massa van de donkere deeltjes is.
Optelsom
Fysici van onder meer de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit van Californië laten nu echter zien dat de straling waarschijnlijk niet van gesneuvelde donkere-materie-deeltjes afkomstig is. Zij modelleerden alle bekende bronnen van gammastraling in het gebied. De grote uitdaging is dat dat er nogal wat zijn. In deze roerige regio ontstaan nieuwe sterren, zitten neutronensterren en pulsars, en wervelen gaswolken rond.
De onderzoekers brachten de afgelopen jaren stapsgewijs alles zo goed mogelijk in kaart. Op basis van dat uitgebreide model berekenden ze hoeveel straling al die verschillende componenten opleveren. Ze concludeerden vervolgens dat er geen ruimte was voor ook nog eens een portie gammastraling ten gevolge van donkere materie. De optelsom van de bekende bronnen kwam te goed uit om ook nog donkere materie toe te laten.
Als donkere-materie-deeltjes de gammastraling had veroorzaakt, zou de straling zich bovendien in een bolvorm rond het galactisch centrum bevinden. In werkelijkheid is er een soort ‘scheve-doos-vorm’ in de straling te herkennen. Die komt volgens het team overeen met het gebied dat het dichtst bevolkt is door sterren. Ook dat wijst er dus op dat sterren en andere ‘gewone’ centrumbewoners de straling veroorzaken.
Beperkingen
‘Ons werk stelt ons in staat om strenge beperkingen op te leggen aan modellen voor donkere-materie-deeltjes’, zegt Oscar Macias, werkzaam aan de universiteit van Amsterdam. Het team wist WIMPs uit te sluiten tot een massa van ongeveer zeshonderd keer de massa van een proton.
Dat wil niet zeggen dat er in de Melkweg helemaal geen donkere materie te vinden is, benadrukt zijn Amerikaanse collega Manoj Kaplinghat. ‘Ons werk stelt alleen beperkingen aan wat voor deeltje dat kan zijn.’
Aannamen
Fysici die juist aan de zijde van de donkere-materie-verklaring staan, zijn sceptisch over de resultaten. Hun belangrijkste punt van kritiek: de modellen van het gebied zitten nog tjokvol onzekerheden.
‘De onderzoekers denken dat alle zichtbare gammastraling die we waarnemen uit voldoende begrepen bronnen komt’, zegt fysicus Samual McDermott van het Amerikaanse Fermilab. ‘Maar ik ben niet overtuigd. Zo gebruiken ze bijvoorbeeld een zeer speculatief model voor de vorm van de fermibubbels.’ Dat zijn grote bellen vol gammastraling die aan weerszijden uit het galactisch centrum steken. Volgens McDermott is de vorm van deze bellen erg onzeker – met name nabij het galactisch centrum. Het team moest er dus aannames over doen. De ene aanname kan leiden tot een scenario waar geen donkere materie in past, terwijl een andere aanname wel degelijk nog ruimte had gelaten voor het donkere goedje. McDermott: ‘Ik vermoed dat hun model van de bubbels veel van de gammastraling met onbekende oorsprong ‘opslurpt’.’
Bovendien moest het team aannames doen over de andere gammabronnen in het gebied. Ook dat is risky business, volgens McDermott. ‘Als je een kleine fout maakt met betrekking tot de erg heldere objecten ter plekke, leidt dat tot grote fouten in de daarvan afgeleide eigenschappen van minder heldere bronnen’, zegt hij. En dat terwijl de minder heldere objecten doorslaggevend zijn in de optelsom van stralingsbijdragen.
Macias wijst er daarentegen op dat het team de analyse heeft uitgevoerd met alle gangbare modellen van het galactisch centrum en de fermibubbels, en met voldoende ruimte voor onzekerheid. Welk model ze gebruikten, maakte voor hun slotconclusie niet uit. ‘De resultaten blijven overeind’, zegt hij.
Doodskist
Het onderzoeksteam wil de komende periode het galactisch centrum nog veel beter in kaart brengen. Mogelijk kunnen nog robuustere modellen hun critici overtuigen.
Macias: ‘Het uiteindelijk doel is om een perfecte beschrijving te hebben van alle componenten in het gebied. Dat is voor ons nu de belangrijkste stap om de laatste nagel in de doodskist van het stralingsoverschot te slaan.’
