Universiteit van Tel Aviv: Israëlische wetenschappers hebben een baanbrekende methode ontwikkeld om donkere materie te bestuderen

Foto Universiteit van Tel Aviv

Israëlische wetenschappers hebben een baanbrekende methode ontwikkeld om donkere materie te bestuderen. Deze methode biedt een direct inzicht in de mysterieuze substantie waaruit het grootste deel van de materie in het heelal bestaat, zo maakte de Universiteit van Tel Aviv maandag bekend.

Donkere materie is een soort materie die geen licht uitzendt, absorbeert of reflecteert, waardoor het onzichtbaar is voor telescopen. Wetenschappers weten alleen dat het bestaat dankzij de zwaartekrachteffecten op sterrenstelsels en de grootschalige structuur van het heelal. Geschat wordt dat ongeveer 85% van alle materie in het heelal donkere materie is, maar de samenstelling ervan blijft onbekend, aangezien er nog geen enkel deeltje donkere materie direct is waargenomen.

De nieuwe studie, onder leiding van prof. Rennan Barkana van de Sackler School of Physics and Astronomy van de Universiteit van Tel Aviv, stelt voor om zwakke radiogolven te detecteren die werden uitgezonden tijdens de vroegste periode van het heelal, de kosmische donkere tijden, ongeveer 100 miljoen jaar na de oerknal. Het onderzoek, gepubliceerd in Nature Astronomy, wijst erop dat donkere materie in dit vroege stadium dichte klonten vormde, waterstofgas aantrok en zwakke maar meetbare radiostraling produceerde.

Prof. Rennan Barkana. Foto Universiteit van Tel Aviv

" De nieuwe James Webb-ruimtetelescoop van NASA heeft onlangs verre sterrenstelsels ontdekt waarvan het licht ons ongeveer 300 miljoen jaar na de oerknal bereikt. Ons nieuwe onderzoek bestudeert een nog eerder en mysterieuzer tijdperk: de kosmische donkere tijden, slechts 100 miljoen jaar na de oerknal", aldus Barkana.

Computersimulaties voorspellen dat donkere materie in het heelal dichte klonten vormde, die later zouden helpen bij de vorming van de eerste sterren en sterrenstelsels. De voorspelde grootte van deze klonten hangt af van, en kan dus helpen bij het verhelderen van, de onbekende eigenschappen van donkere materie, maar ze zijn niet direct zichtbaar. Deze klonten donkere materie trokken echter waterstofgas aan, waardoor het sterkere radiogolven uitzond. We voorspellen dat het cumulatieve effect van dit alles kan worden gedetecteerd met radioantennes die de gemiddelde radio-intensiteit aan de hemel meten.

Het observeren van deze signalen is technisch gezien een uitdaging, omdat de atmosfeer van de aarde de zwakke radiogolven blokkeert . Hiervoor zijn telescopen in de ruimte nodig, die mogelijk op de maan worden geplaatst voor meer stabiliteit.

"We zien een internationale ruimterace waarin veel landen ernaar streven om met sondes en astronauten terug te keren naar de maan", aldus de studie. "Ruimtevaartorganisaties in de VS, Europa, China en India zijn op zoek naar waardevolle wetenschappelijke doelen voor de ontwikkeling van de maan, en het detecteren van radiogolven uit de kosmische donkere tijden biedt een aantrekkelijk doelwit."

Latere perioden, zoals de kosmische dageraad, toen de eerste sterren ontstonden, zullen naar verwachting sterkere radiosignalen produceren. Deze kunnen vanaf de aarde worden gemeten, hoewel de interpretatie ervan wordt bemoeilijkt door de invloed van stervorming. Barkana maakt deel uit van de Square Kilometre Array (SKA), een internationaal project met 80.000 radioantennes in Australië om deze emissies in kaart te brengen en de sporen van vroege donkere materieklonten aan de hemel te traceren.

"Het radiosignaal uit de kosmische donkere tijden zou relatief zwak moeten zijn, maar als de observationele uitdagingen overwonnen kunnen worden, opent dit nieuwe mogelijkheden om de aard van donkere materie te testen", aldus Barkana. "In het huidige heelal heeft donkere materie miljarden jaren lang met sterren en sterrenstelsels gecommuniceerd, waardoor het moeilijk is om de eigenschappen ervan te decoderen. Door het in het vroege heelal te observeren, krijgen we een ongerept laboratorium, dat mogelijk onthult wat donkere materie eigenlijk is."

Barkana zei: "Wanneer wetenschappers een nieuw observatievenster openen, volgen er meestal verrassende ontdekkingen. De heilige graal van de natuurkunde is het onthullen van de eigenschappen van donkere materie. Dit onderzoek wijst op een manier waarop we dat uiteindelijk kunnen doen, door af te stemmen op de kosmische radiokanalen van het vroege heelal en een glimp op te vangen van de onzichtbare fundering waarop alle sterrenstelsels, inclusief onze eigen Melkweg, zijn gebouwd."