Waarnemingen van fusies van dwergsterrenstelsels met de in een baan rond zwaartekrachtsobservatorium LISA draaiende sterrenwacht zullen astronomen helpen te begrijpen of er zware donkere materie bestaat en welke eigenschappen deze heeft. Het artikel van theoretisch fysici werd gepubliceerd in Astrophysical journal letters.
“We hebben aangetoond dat de frequentie van fusies tussen dwergstelsels en zwarte gaten in hun centra rechtstreeks afhangt van de hoeveelheid donkere materie die erin aanwezig is. Tegenwoordig zijn theoretici van mening dat er veel van zou moeten zijn, en daarom hebben we lange tijd vermoed dat het hun kosmologische eigenschappen zou beïnvloeden”, zei Lucio Mayer van de Universiteit van Zürich (Zwitserland).
De draden van het universum
Wetenschappers geloofden lange tijd dat het heelal bestaat uit de materie die we zien en die de basis vormt van alle sterren, zwarte gaten, nevels, stofclusters en planeten. Maar de eerste waarnemingen van de snelheid van sterren in nabije sterrenstelsels toonden aan dat de sterren aan de rand met een onmogelijk hoge snelheid bewegen, ongeveer tien keer hoger dan berekeningen op basis van de massa van alle sterren lieten zien.
De reden hiervoor was, volgens wetenschappers van vandaag, de zogenaamde donkere materie - een mysterieuze substantie die goed is voor ongeveer 75% van de massa van materie in het heelal. Typisch bevat elk sterrenstelsel ongeveer acht tot tien keer meer donkere materie dan zijn zichtbare neef, en deze donkere materie houdt de sterren op hun plaats en voorkomt dat ze zich verspreiden.
Mislukte zoekopdrachten naar sporen van donkere materie op aarde, zoals Meyer opmerkt, doen veel wetenschappers twijfelen of het in principe bestaat of dat het is samengesteld uit superzware en 'koude' deeltjes - 'WIMP's' die zich op geen enkele andere manier manifesteren dan het aantrekken van zichtbare clusters er toe doen.
Mayer en zijn collega's vroegen zich af waar en hoe de meest ‘betrouwbare’ sporen van deze vorm van donkere materie te vinden waren. Hun aandacht werd gevestigd op objecten waarvan conventionele kosmologische theorieën voorspellen dat ze bijna volledig uit deze stof zouden moeten bestaan - de zwakste dwergstelsels.
Promotie video:
Ruimte "mixer"
Wetenschappers hebben een computermodel gemaakt van dergelijke "ster-megasteden", waardoor ze ze tegen elkaar en andere objecten konden duwen, en ook de verhouding tussen de massa van zichtbare en donkere materie konden veranderen, evenals hun verdeling over sterrenstelsels.
Deze berekeningen toonden onverwachts aan dat het gedrag van centrale zwarte gaten in dergelijke sterrenstelsels, evenals de frequentie van hun samensmelting, sterk zal afhangen van de aanwezigheid van donkere materie en een van zijn specifieke eigenschappen - hoeveel de dichtheid ervan verschilt aan de rand en in de centra van deze dwergen.
Het bleek dat zwarte gaten elkaar konden naderen, nauwe paren konden vormen en alleen in die gevallen konden samensmelten als donkere materie extreem ongelijk over dergelijke sterrenstelsels was verdeeld. Dienovereenkomstig kan het observeren van de frequentie van hun samensmelting ons vertellen hoe donkere materie door het heelal wordt verdeeld en of het in principe bestaat.
Hoe kunnen dergelijke "kosmische ongelukken" worden berekend? Superzware zwarte gaten die op korte afstand van elkaar cirkelen, zullen zwaartekrachtgolven met een zeer lage frequentie uitzenden. Ze zullen onzichtbaar zijn voor telescopen op de grond, maar goed zichtbaar voor het zwaartekrachtobservatorium LISA, waarvan de bouw in de tweede helft van 2020 zal beginnen.
Het is een set van drie satellieten die de fluctuaties in de ruimte-tijd moeten volgen en observeren hoe zwaartekrachtgolven het pad afbuigen van laserstralen die alle drie de LISA-apparaten met elkaar verbinden.
Meyer en zijn collega's hopen dat de LISA-waarnemingen wetenschappers zullen helpen het bestaan van donkere materie te bevestigen en welke theorieën over de structuur ervan dichter bij het oplossen van de mysteries van het leven in het universum komen.