Het klinkt inefficiënt: donkere materie zoeken op een plek waar het spul juist weinig voorkomt. Toch stellen deze natuurkundigen precies dat voor.

Elke maand stuur ik coördinerend redacteur Naomi Vreeburg een lijstje met mogelijke onderwerpen voor deze rubriek – en elke maand zit daar wel een studie tussen die op de een of andere manier te maken heeft met de zoektocht naar donkere materie. ‘Alwéér?’, hoor ik Naomi in gedachten al uitroepen als ik op ‘verzenden’ klik. Maar ja, het spul vormt nu eenmaal een van de grote hete hangijzers binnen de natuur- en sterrenkunde.

Lees ook:

• Lost een extra dimensie het donkerematerie-probleem op?
• Zijn zwarte gaten bollen vol donkere energie?

Vreemd is dat allerminst. Vijf zesde van het heelal lijkt te bestaan uit donkere materie, oftewel: deeltjes die we niet kunnen zien, maar die met hun zwaartekracht wel hun omgeving beïnvloeden. En tja, als het je werk is om het universum te doorgronden, is het feit dat de deeltjes die daar het meest in voorkomen je voor een compleet raadsel stellen toch wel een beetje… gênant.

Tussen de recente pogingen om deze pijnlijke kwestie de wereld uit te helpen, viel mijn oog op een studie waarin de auteurs suggereren op zoek te gaan naar donkere materie in de grote stukken lege ruimte tussen sterrenstelsels. Apart, dacht ik: daar is niet alleen weinig gewone materie te vinden, maar ook weinig van de donkere variant. Hoezo zou je daar juist op die plekken naar gaan zoeken? Gelukkig mocht ik er van Naomi een stukje over tikken, waardoor ik een excuus had er wat dieper in te duiken.

Verdwijnende deeltjes

Allereerst: hoe speur je überhaupt naar donkeremateriedeeltjes in het heelal? Daarbij zijn twee processen van belang. Ten eerste kan zo’n donkeremateriedeeltje uiteenvallen in gewone deeltjes. Bij zo’n vervalproces kan bovendien gammastraling ontstaan. En die straling zouden we kunnen waarnemen met een gespecialiseerde ruimtetelescoop, zoals de Fermi Gamma-ray Space Telescope van de NASA en het Amerikaanse ministerie van energie.

Ten tweede kunnen twee donkeremateriedeeltjes die elkaar in de ruimte ontmoeten elkaar vernietigen. Daarbij verdwijnen beide deeltjes en worden hun massa’s omgezet in straling. Zo kan ook dit proces een signaal opleveren dat we kunnen zien.

Maar het heelal bestaat niet uit donkere materie alleen. Het heeft nog allerlei andere bewoners – en sommige daarvan produceren óók gammastraling. Dat maakt het nogal een uitdaging om gammastraling afkomstig van donkere materie te onderscheiden van, bijvoorbeeld, de gammastraling van superzware zwarte gaten in de harten van sterrenstelsels.

Dichtbevolkt of leeg?

En daar komen we bij het idee van de Italiaanse sterrenkundigen Stefano Acari, Elena Pinetti en Nicolao Fornengo. Zij besloten na te gaan waar in het heelal je nu beter af bent als je naar donkere materie gaat zoeken.

In dichtbevolkte gebieden met veel donkere materie, maar ook veel andere sterrenkundige objecten die je metingen moeilijker maken? Of juist in de legere delen van het heelal, waar weliswaar weinig donkere materie te vinden is, maar ook minder van de objecten die hetzelfde type straling produceren en zo je zoektocht bemoeilijken?

Dat laatste blijkt de betere optie, zo tonen Acari en collega’s aan in hun artikel. Althans, als je het hebt over de gammastraling van donkeremateriedeeltjes die vervallen naar andere deeltjes. Ontmoetingen tussen donkeremateriedeeltjes die uitlopen op wederzijdse vernietiging zijn in de uitgestrekte leegtes tussen de sterrenstelsels behoorlijk zeldzaam. Op dát soort gammastraling hoef je dus niet te rekenen als je in deze regio’s op jacht gaat naar donkere materie.

Overtreffende trap

Maar naar vervallende donkeremateriedeeltjes kunnen we dus wél op zoek in de gebieden waar ze, paradoxaal genoeg, vrij schaars zijn. Helaas zal dat niet lukken met onze huidige ruimtetelescopen, zoals de al genoemde Fermi-ruimtetelescoop. In hun artikel fantaseren Acari en zijn team daarom over een opvolger die op allerlei manieren beter presteert en die ze, met Italiaanse flair, Fermissimo noemen: de overtreffende trap van Fermi. Zou je díé de kosmische leegtes laten bestuderen, dan zou hij eventuele donkere materie die daarover verspreid is aan het licht kunnen brengen.

Alleen: voor zo’n ding eenmaal gebouwd en operationeel is, zijn we natuurlijk flink wat jaren verder. Naomi kan dus de komende tijd nog wel wat meer Far Out-voorstellen tegemoetzien over wetenschappers die de jacht op donkere materie een boost denken te kunnen geven. Want duimendraaien tot een Fermissimo-achtige kijker het pleit misschien weet te beslechten, dat zullen de heren en dames natuur- en sterrenkundigen niet gaan doen. Daarvoor is het hele donkerematerieverhaal toch net wat te gênant.

Deze Far Out staat ook in KIJK 11/2022, via onderstaande knop te koop.

Bronnen: ArXiv.org, Scientific American

Beeld: NASA, ESA, E. HALLMAN (UNIVERSITY OF COLORADO, BOULDER)