Volgens drie natuurkundigen kunnen sterren donkere-materie-deeltjes in hun binnenste verzamelen. En dat zouden we van de buitenkant moeten kunnen zien.

De zoektocht naar donkere materie is nog steeds in volle gang. Deze vorm van materie die we niet kunnen zien, maar wel zwaartekracht uitoefent op zijn omgeving, wil maar geen duidelijk signaal afgeven in de vele experimenten die ernaar zoeken. Twee Portugese natuurkundigen, Richard Brito en Vitor Cardoso, stellen nu samen met hun Japanse collega Hirotada Okawa een alternatieve manier van zoeken voor. Volgens hen kan donkere materie zich verzamelen binnenin sterren en heeft dat effecten die je mogelijk van buitenaf kunt waarnemen.

Trillende sterren

In het scenario van Brito, Cardoso en Okawa heeft donkere materie de vorm van héél lichte deeltjes: de zogenoemde axionen. Deze werden al in de jaren zeventig bedacht, maar bleven een tijdlang onder de radar. De laatste jaren worden ze echter steeds serieuzer genomen als mogelijke oplossing voor het donkere-materie-probleem. Maar ook van dit type donkere materie is in aardse experimenten nog geen bewijs gevonden.

De drie wetenschappers denken echter dat sterrenkundigen op dit punt wellicht een handje kunnen helpen. Asteroseismologen, om precies te zijn; die proberen te bepalen hoe een ster er vanbinnen uitziet door trillingen te observeren, zoals ‘gewone’ seismologen het binnenste van de aarde bestuderen via seismische golven. Donkere materie van het type axion – of iets wat daarop lijkt – zou zich namelijk in de centra van sterren kunnen verzamelen en daar trillingen kunnen veroorzaken met heel specifieke frequenties. En die zouden asteroseismologen moeten kunnen zien, vermoeden Brito en collega’s.

Fataal dieet?

Een interessante punt is alleen het volgende. Als sterren steeds donkere-materie-deeltjes vangen uit het omringende heelal en die naar hun binnenste toe trekken, worden ze daar natuurlijk steeds zwaarder van. Maar een ster kan niet ongestraft zwaarder en zwaarder worden in de loop der miljoenen of miljarden jaren; op een gegeven moment zou hij dan moeten veranderen in een zwart gat.

Eerdere onderzoekers die over het bovenstaande verschijnsel nadachten, gingen ervan uit dat dit laatste op een gegeven moment ook echt zou gebeuren: een dieet van axionen wordt sterren uiteindelijk fataal. De berekeningen van Brito, Cardoso en Okawa vertellen echter een ander verhaal. Daaruit blijkt dat de kern van donkere materie maar tot een bepaald punt groeit; dan treedt er een mechanisme in werking dat massa uitstoot en wegstraalt, en zo voorkomt dat de ster het zwart-gat-stadium kan bereiken. “Dat voorkomt dat een ster ooit kan instorten tot een zwart gat”, mailt Cardoso. “Sterker nog: als een zware kern van donkere materie een minder zware kern ‘opeet’, wordt hij daar per saldo juist minder zwaar van!”

Geen recept paraat

Helaas hebben Brito en collega’s op dit moment geen recept paraat waar asteroseismologen gelijk mee aan de slag kunnen om donkere materie in sterren op te sporen. “We zijn de details as we speak aan het uitwerken”, laat Cardoso weten. “We denken dat deze trillingen te meten moeten zijn, maar weten het nog niet zeker.”

Bronnen: Physical Review Letters, ArXiv.org, Phys.org

Beeld: NASA, ESA, and the Hubble Heritage (STScI/AURA)-ESA/Hubble Collaboration