Simulaties geven een uniek inkijkje in donkere materiehalo’s variërend van de allergrootste tot de kleinste die in ons universum te vinden zijn.

95 procent van het heelal bestaat uit materie die we niet kunnen zien. Astronomen snappen dan ook nog steeds niet waar al die onzichtbare massa en energie van gemaakt is. Toch is het onderzoekers nu gelukt om deze ongrijpbare materie indirect in beeld te brengen. En dat leidt tot een opvallende ontdekking.

Naar schatting bestaat het universum voor zo’n vijf procent uit zichtbare materie. Daarnaast zou het universum voor 70% zijn opgebouwd uit donkere energie: de nog altijd mysterieuze drijvende kracht achter de versnelde uitdijing van het heelal. De overige 25% is donkere materie.

Wat weten we wel?
Laten we eerst in gaan op wat we onderhand over donkere materie weten. “Het belangrijkste is dat het voornamelijk door zwaartekracht in wisselwerking staat met de rest van het universum,” vertelt onderzoeker Sownak Bose aan Scientias.nl. “Tegenwoordig is hier zelfs nog meer overtuigend bewijs voor door een fenomeen dat bekend staat als als zwaartekrachtslenzen. Hierbij buigt de zwaartekracht van donkere materie het licht van een object dat verder van de waarnemer verwijderd is, af.” Een andere belangrijke eigenschap van donkere materie is dat het heel koud is. “Dit betekent dat de deeltjes zich niet met extreem hoge snelheden door het oeruniversum bewogen, wat bijvoorbeeld wel het geval is voor fotonen en neutrino’s,” gaat Bose verder. “Als donkere materie heet was geweest, had het universum er niet zoals nu uitgezien. Door snelle bewegingen van een heet donker materiedeeltje kunnen kleine sterrenstelsels zich lastiger vormen terwijl we dit soort sterrenstelsels juist overal om ons heen zien.” Bovendien hebben astronomen aangetoond dat donkere materie een cruciale rol speelt bij de vorming van sterrenstelsels. Maar in veel opzichten weten we eigenlijk beter wat donkere materie niet is. “Het interageert niet met licht en gaat (bijna) geen interactie aan met gewone materie,” aldus Bose. En hierdoor is het erg lastig om de aard van donkere materie bloot te leggen. Pogingen om donkere materie direct te detecteren zijn tot nu toe dan ook nog niet succesvol geweest.


Virtueel universum
Toch geven onderzoekers de moed niet op. Om veel vragen omtrent donkere materie te beantwoorden, ontwikkelen wetenschappers vaak nieuwe modellen voor donkere materie en leggen deze naast rechtstreekse observaties om te testen of de modellen kloppen. En zo gingen onderzoekers ook in een nieuwe studie te werk. Met behulp van de kracht van supercomputers heeft een team ‘ingezoomd’ op de kleinste bosjes donkere materie in een virtueel universum. Maar hoe kun je iets in beeld brengen dat we niet kunnen zien? “We beginnen met het gebruiken van waarnemingen van het echte universum,” legt Bose desgevraagd uit. “Op die manier kunnen we bepalen hoeveel donkere materie we in onze simulaties moeten stoppen. Gelukkig helpen waarnemingen van kosmische achtergrondstraling door de Planck-satelliet ons hierbij. Deze kosmische achtergrondstraling kan in zekere zin worden gezien als een ‘afbeelding’ van hoe ons heelal er uitzag toen het nog maar 400.000 jaar oud was. Het betekent dat we kunnen uitzoeken wat de samenstelling van het heelal in zijn jonge jaren was, inclusief de hoeveelheid donkere materie.”

Aannames
De rest van de kenmerken van donkere materie in het virtuele universum hangen af van welke aannames onderzoekers over het heelal doen. “Zoals eerder gezegd weten we dat zwaartekracht een belangrijke rol speelt en lijkt het erop dat donkere materie koud is en geen interactie aangaat met normale materie,” zegt Bose. “Al deze eigenschappen stoppen we in een supercomputer waarin we ons donkere materie voorstellen als miljarden individuele deeltjes. Eén enkele simulatie vergt ongeveer twee weken rekenen op een supercomputer, dus kun je nagaan hoe groot die berekening is!” Vervolgens vergelijken de onderzoekers hun simulaties met wat we in het echte universum zien om te kijken hoe dicht hun virtuele universum bij de echte in de buurt zit. Omdat onze kennis van hoe ons universum er aan het begin (400.000 jaar na zijn geboorte) uitzag heel goed is en we ook de zwaartekrachtwetten goed kennen, gaan de onderzoekers ervan uit dat de uitgevoerde simulaties een nauwkeurige weergave zijn van de werkelijkheid.

Halo’s
Eén van de dingen die uit de simulaties blijkt, is dat zwaartekracht ertoe leidt dat donkere materiedeeltjes samenklonteren en zich nestelen in wat bekend staat als zogenaamde ‘donkere materiehalo’s. “Deze kun je zien als grote bronnen van zwaartekracht gevuld met donkere materiedeeltjes,” legt Boe uit. “We denken dat elk sterrenstelsel in de kosmos omgeven is door een donkere materiehalo.” Met behulp van het virtuele universum konden de onderzoekers met ongekende precisie (vergelijkbaar met wat er nodig is om een vlo op het oppervlak van de maan te herkennen) op deze donkere materiehalo’s inzoomen. Vervolgens vervaardigden ze een aantal zeer gedetailleerde beelden van honderden virtuele halo’s; van de allergrootste tot de kleinste die mogelijk in ons universum te vinden zijn.


Simulatie van de verspreiding van donkere materie in het universum. De kleine, bolvormige klodders donkere materie worden door wetenschappers geïdentificeerd als donkere materiehalo’s. Afbeelding: J. Wang; S. Bose/CfA

Bij het bestuderen van de structuur van de halo’s stuitten de onderzoekers op een verrassende ontdekking: alle halo’s van donkere materie – of ze nu groot of klein zijn – hebben heel vergelijkbare, interne structuren. Ze hebben allemaal in het midden een grotere dichtheid en waaieren vervolgens naar de randen toe steeds diffuser uit. Het betekent dat het bijna onmogelijk is om een verschil te zien tussen een donkere materiehalo van een massief sterrenstelsel en die van een klein sterrenstelsel. “Hoe groot of klein deze objecten ook zijn, de structuur blijft hetzelfde,” verduidelijkt Bose. “Ik denk dat dit een hele opwindende vondst is. Het laat zien hoe ‘geordend’ zelfs de meest complexe systemen in ons universum kunnen zijn. Met andere woorden, zwaartekracht – de architect van onze kosmos – heeft een aantal vaste patronen waarlangs het donkere materie verdeelt. En die zijn naar mijn mening heel netjes.”

Gammastraling
Bovendien verandert dit volgens Bose de manier waarop we donkere materie moeten opsporen. Sommige onderzoekers stellen dat we donkere materie kunnen opsporen met behulp van deeltjesbotsingen. Donkere materiedeeltjes die in de buurt van het centrum van halo’s botsen, kunnen exploderen in gewelddadige uitbarstingen van hoogenergetische gammastraling. En hierdoor wordt donkere materie mogelijk detecteerbaar met behulp van telescopen. “Eerder onderzoek suggereerde dat de dichtheid in het midden van de kleinste halo’s – die voornamelijk onze kosmos domineren – veel groter is dan in massievere objecten,” legt Bose uit. “Het zou betekenen dat ze een overweldigende hoeveelheid straling zouden moeten produceren. Maar onze resultaten bewijzen nu echter het tegendeel. De centra van deze kleinste objecten zijn dus niet zo dicht als eerder werd gedacht. Dit verandert dus ook de hoeveelheid straling die deze objecten uitstoten. En dat is weer van invloed is op hoe we donkere materie moeten detecteren met behulp van gammastraling.”

Skelet
De resultaten zijn een belangrijk stukje in de immens grote puzzel die donkere materie heet. “Het begrijpen van de aard van donkere materie is de heilige graal van de kosmologie,” zegt Bose. “Door computersimulaties zijn we er achtergekomen wat de fundamentele rol is bij de vorming van de structuur van het universum. In het bijzonder zijn we ons gaan realiseren dat zonder donkere materie het universum er in zijn geheel niet zo uit zou zien als nu. Er zouden geen melkwegstelsels zijn, geen sterren, geen planeten en daarom ook geen leven. Dit komt omdat donkere materie fungeert als de soort onzichtbaar skelet die het zichtbare universum om ons heen ophoudt.”

De vraag is of we ooit het mysterie omtrent donkere materie volledig kunnen ontrafelen. “Ik hoop het!” zegt Bose. “Er zijn zoveel briljante en creatieve mensen die zowel vanuit theoretisch als experimenteel standpunt aan het probleem van donkere materie werken. In de komende decennia wordt er bovendien enorme inspanning geleverd om nieuwe grond- en ruimte-instrumenten te bouwen die een ongekende hoeveelheid informatie zullen kunnen verzamelen over de aard van sterrenstelsels. En dit zal de sleutel zijn die de deur kan openen naar het ontdekken van wat donkere materie daadwerkelijk is. Ik heb overigens goede hoop dat als en wanneer dit gebeurt, donkere materie nóg exotischer blijkt te zijn dan we ons ooit hebben kunnen voorstellen.”