Hoewel onderzoekers weten dat sterrenstelsels donkere materie bevatten, waren kleinere klontjes nog niet gevonden. Tot nu.

Als astronomen zoeken naar donkere materie lijkt het bijna wel een spookjacht. Dat komt omdat donkere materie onzichtbaar is en niet met het blote oog kan worden waargenomen. Toch bestaat een groot deel van de massa van het universum uit donkere materie en zou zelfs elk sterrenstelsel dit herbergen. Een aanvaarde theorie is dat donkere materiedeeltjes langzaam bewegen, waardoor ze gemakkelijk kunnen samenklonteren. Volgens dit idee bevat het universum een breed scala aan verschillende concentraties donkere materie, van klein naar groot. En nu heeft Hubble voor het eerst kleine klontjes donkere materie ontdekt.

Meer over donkere materie
Processen in de kosmos kunnen niet volledig worden verklaard door normale materie. Een voorbeeld hiervan zijn sterrenstelsels. Deze roteren namelijk met een enorme snelheid. Afgaand op wat je kunt zien zou je verwachten dat ze uit elkaar vliegen. De zichtbare materie in het universum is zogezegd niet voldoende om de sterrenstelsel bij elkaar te houden. Toch houden sterrenstelsels zich staande. Daarom moet er ‘iets’ zijn dat de sterrenstelsels extra massa geeft en ze bij elkaar houdt. Tot nu toe weten we echter niet waar de rest van de massa van het universum uit bestaat, ondanks talloze suggesties. De aard van donkere materie is daarom een van de belangrijkste onbeantwoorde vragen in de kosmologie.

Astronomen denken dat donkere materie bestaat uit langzaam bewegende deeltjes die samenklonteren. Deze vormen vervolgens structuren die variëren van honderdduizenden keren de massa van de Melkweg, tot massa’s niet meer dan het gewicht van een vliegtuig. Hoewel concentraties donkere materie zijn gedetecteerd rond grote en middelgrote sterrenstelsels, was het nog niet gelukt om kleinere klontjes donkere materie te vinden. Onderzoekers kwamen daardoor met een nieuwe theorie op de proppen: donkere materiedeeltjes zouden niet langzaam, maar juist snel bewegen; te snel om kleine klontjes te vormen. Maar onderzoekers uit de huidige studie vegen dat idee nu van tafel.


Quasars
In de studie namen de onderzoekers krachtige en verre quasars onder de loep; het extreem heldere centrum van actieve sterrenstelsels. De gloed die dit centrum genereert ontstaat door de aanwezigheid van een supermassief zwart gat dat omringd wordt door een uit gas en stof opgebouwde accretieschijf. Gas dat vanuit die accretieschijf richting het zwarte gat valt, geeft enorme hoeveelheden energie af (in de vorm van licht en straling). Vervolgens zochten de onderzoekers naar kleine concentraties donkere materie door te meten hoe licht van deze verre quasars wordt beïnvloedt terwijl het door de ruimte reist.

Artistieke impressie van de werkwijze uit de studie. De zwaartekracht van het massieve sterrenstelsel op de voorgrond werkt als een vergrootglas door het licht van de quasar krom te trekken, een effect dat ook wel zwaartekrachtslenzen wordt genoemd. Dankzij deze methode lukte het onderzoekers om de kleinste klontjes donkere materie ooit te detecteren. De aanwezigheid van de concentraties donkere materie verandert de helderheid en positie van de quasar. Afbeelding: NASA, ESA, and D. Player (STScI)

Klontjes
Uit de bevindingen blijkt dat het licht van de quasars werd kromgetrokken en vergroot werd door de zwaartekracht van massieve sterrenstelsels op de voorgrond. Een effect dat ook wel zwaartekrachtslenzen wordt genoemd. En de schuldige? Kleine klontjes donkere materie. Hubble ontdekte concentraties donkere materie van 1 / 10.000e tot 1 / 100.000e maal de massa van de donkere materie in de Melkweg. “Stel je voor dat elk van de acht sterrenstelsels een gigantisch vergrootglas is,” legt onderzoeker Daniel Gilman uit. “Kleine klontjes donkere materie fungeren als kleine scheurtjes op het vergrootglas, waardoor de helderheid en positie van de vier quasars veranderen in vergelijking met wat je zou verwachten als het glas glad was geweest.”

Aard van donkere materie
De studie levert nieuwe inzichten op over de aard van donkere materie en hoe deze zich gedraagt. De onderzoekers hebben namelijk zeer overtuigend aangetoond dat donkere materie langzaam beweegt en de oorspronkelijke theorie dus klopt. “Onze studie biedt het sterkste bewijs tot nu toe voor de aanwezigheid van kleine klontjes langzaam bewegende donkere materie,” zegt onderzoeker Anna Nierenberg. “De deeltjeseigenschappen van donkere materie beïnvloeden bovendien hoeveel klontjes zich vormen. Dat betekent dat je achter de de deeltjesfysica van donkere materie kunt komen door het aantal kleine klontjes te tellen.”

Het type deeltje waar donkere materie echter uit bestaat, is momenteel nog een waar mysterie. Zo is er op dit moment nog geen direct bewijs dat donkere materiedeeltjes überhaupt bestaan. Onderzoekers stelden onlangs wel een nieuwe kandidaat voor donkere materie voor: de superzware gravitino.