De onzichtbare oplossing

Een theorie die gammastraling en rotatiesnelheden in de Melkweg integreert, zegt dat de Melkweg vol zit met donkere materie. George Beekman

De Melkweg zit waarschijnlijk vol donkere materie. Die ziet niemand, het verklaart goed de verschillende rotatiesnelheden die binnen de schijf van de Melkweg bestaan. Terwijl ook de overmaat aan gammastraling in de Melkweg uit de aanwezigheid van donkere materie kan worden verklaard.

Astrofysicus Wim de Boer en zijn collega's van de universiteit van Karlsruhe in Duitsland hebben deze theorie vorig jaar openbaar gemaakt, met meetgegevens getoets en inmiddels ook gepubliceerd (Astronomy & Astrophysics, december 2005).

Volgens Wim de Boer is er natuurlijk veel scepsis over zo'n veelomvattende analyse, waarin verschillende verschijnselen in de astronomie en de hoge-energiefysica met elkaar in verband worden gebracht. Maar toch zijn de meningen in het algemeen zeer positief', bericht De Boer uit de Verenigde Staten, waar hij on tour is om zijn grote synthese te promoten. Alleen al in het afgelopen jaar heeft hij tijdens congressen, symposia en dergelijke wereldwijd zeventien voordrachten hierover gehouden.

Het probleem waar De Boer en zijn collega's een oplossing voor aandragen is de vraag of donkere materie inderdaad alom aanwezig is. Donkere materie, de naam zegt het al, is niet te zien, maar zou zich verraden via de gloed van gammastraling die uit alle richtingen van het melkwegstelsel komt. Op zijn beurt zou die gammastraling het gevolg zijn van het uiteenvallen van extreem zware elementaire deeltjes van 50 tot 100 protonmassa's die door sommige fysische theorieën worden voorspeld. Als al deze schakels inderdaad in elkaar grijpen, dan hebben de onderzoekers in één klap drie actuele vraagstukken in de astronomie en deeltjesfysica opgelost - dat van de donkere materie, van het 'te veel' aan gammastraling en het mogelijk bestaan van nieuwe deeltjes.

rotatiesnelheid

Algemeen wordt aangenomen dat het grootste deel van de materie in het heelal 'donker' is, dat wil zeggen geen straling uitzendt. Maar het is wel materie die aantrekkingskracht uitoefent. Zijn aanwezigheid blijkt bijvoorbeeld uit de snelheid waarmee sterren en gaswolken rond het centrum van ons melkwegstelsel (en andere stelsels van dit type) draaien. Die rotatiesnelheid neemt verder van het melkwegcentrum niet af volgens de wetten van Kepler (die de beweging van hemellichamen ten opzichte van elkaar beschrijven) af, maar veel langzamer. Dit zou er op wijzen dat dit soort melkwegstelsels wordt omringd door donkere materie die de binnendelen sneller doet draaien dan berekend kan worden uit alleen de zichtbare materie. Een andere mogelijke verklaring ligt in een afwijking van de wet van Newton (die de aantrekking tussen twee (hemel-)lichamen beschrijft) die zich alleen over heel grote afstanden manifesteert, maar de meeste astronomen zijn erg huiverig voor aanvaarding van 'zo'n verstrekkende hypothese.

Over de ware aard van deze mysterieuze donkere materie is in de afgelopen jaren veel gespeculeerd. Zo wordt in de hoge-energiefysica het bestaan van deeltjes voorspeld die een bijdrage aan de donkere materie zouden kunnen leveren. Het gaat hier om deeltjes met een relatief grote massa die slechts heel zelden met gewone materie in wisselwerking treden. Deze weakly interacting massive particles (WIMP's) zouden kort na de oerknal zijn ontstaan en hebben elkaar daarna tijdens onderlinge botsingen grotendeels vernietigd - anders zou de donkere materie in het heelal nu een veel grotere dichtheid hebben dan de gewone, zichtbare materie, wat niet het geval is.

vervalproces

Volgens de theoretische fysica ontstaan tijdens het uiteenvallen van WIMP's paren van telkens twee quarks. Uit experimenten met deeltjesversnellers, bijvoorbeeld de Large Electron Positron-botser van het CERN in Genève, is gebleken dat zulke paren op hun beurt uiteenvallen in een hele serie bekende, stabiele deeltjes en dat daarbij ook gammastraling wordt geproduceerd: 30 tot 40 flitsjes tijdens ieder vervalproces. Dit betekent dat gammastraling uit het melkwegstelsel op de aanwezigheid van WIMP's ofwel donkere materie kan wijzen. Maar gammastraling wordt ook op andere manieren geproduceerd, bijvoorbeeld door deeltjes van de kosmische straling die tegen de atomen en fotonen in de ruimte tussen de sterren botsen en door bepaalde soorten sterren.

speculaties

De Amerikaanse gammasatelliet Compton Gamma Ray Observatory (CGRO) heeft tussen 1991 en 2000 nauwkeurig de intensiteit van de gammastraling aan de gehele hemel in kaart gebracht. Al in 1997 werd ontdekt dat, na het in rekening brengen van alle bekende bronnen van gammastraling, de intensiteit van deze straling uit de schijf van ons melkwegstelsel een factor twee groter is dan op grond van aanwezige materie was berekend. Daarna kwamen de speculaties dat deze extra straling kan samenhangen met de lang gezochte donkere materie in het melkwegstelsel.

Om deze hypothese te toetsen hebben Wim de Boer en zijn collega's van het Instituut voor Experimentele Kernfysica in Karlsruhe het volledige databestand van de Compton-satelliet nogmaals uitvoerig geanalyseerd. Zij ontdekten dat het 'exces' aan gammastraling niet alleen in het vlak van het melkwegstelsel optreedt, maar in alle richtingen aan de hemel. Bovendien is het spectrum (het verloop van energie en intensiteit) van dat gamma-overschot in alle richtingen gelijk, wat op een gemeenschappelijke oorsprong wijst. Het spectrum verschilt van dat van de gammastraling die door de kosmische straling ontstaat, maar komt goed overeen met het spectrumvan straling die bij het verval van WIMP's ontstaat.

Uit het gamma-exces berekende De Boer de dichtheid van de donkere materie en vervolgens hoe die materie de rotatiesnelheid van de schijf beïnvloedt. De berekende snelheid komt verrassend goed overeen met de gemeten snelheid. Ook twee bekende onregelmatigheden in de rotatiesnelheid, op afstanden van respectievelijk 13.000 en 45.000 lichtjaar van het centrum, konden worden gereconstrueerd. Dit alles zou er op wijzen dat het gamma-exces inderdaad de donkere materie in ons melkwegstelsel traceert en dat die materie dus niet echt donker is

Sceptici vinden de conclusies nog wat voorbarig. Er zouden te veel onzekerheden bestaan over met name de ruimtelijke verdeling van het interstellaire gas in ons melkwegstelsel en de processen die daarin 'gewone' gammastraling creëren. Het zou daarom een geweldige opsteker zijn als in de toekomst ook de dragers van de donkere materie, dus de WIMP-deeltjes zelf, zouden worden gevonden. Misschien lukt dat de Large Hadron Collider, de nieuwe versneller van CERN die waarschijnlijk volgend jaar in bedrijf komt.