Donkere materie, het onzichtbare materiaal dat de overgrote meerderheid van de massa van het universum vormt, kan zich tot atomen verzamelen, blijkt uit nieuwe simulaties. Deze "donkere atomen" kunnen de evolutie van sterrenstelsels en de vorming van sterren radicaal veranderen, waardoor astronomen een nieuwe kans krijgen om deze mysterieuze substantie te begrijpen.
Donkere materie vormt meer dan 80% van de massa van elk sterrenstelsel en cluster van sterrenstelsels in het universum. Al onze waarnemingen geven aan dat donkere materie een nieuw soort deeltje is dat geen wisselwerking heeft met gewone materie of zelfs maar met licht. We kunnen donkere materie alleen identificeren door zijn zwaartekrachtinteractie met al het andere. Wat donkere materie ook is, het gaat ons moderne begrip van de natuurkunde te boven. Maar het heeft nog steeds massa, en dus zwaartekracht.
We weten nog niet of donkere materie eenvoudig of complex is. Het kan uit slechts één type deeltje bestaan dat het universum domineert en zelfs nauwelijks interactie heeft met zichzelf. Of het kan uit verschillende soorten deeltjes bestaan, met dezelfde rijke variëteit die we in gewone materie zien. Verder kennen we slechts vier fundamentele natuurkrachten: zwaartekracht, elektromagnetisme, de sterke nucleaire interactie en de zwakke nucleaire interactie. Maar er kunnen extra krachten zijn die alleen werken tussen donkere materiedeeltjes en helemaal geen invloed hebben op normale materie.
Het concept van extra donkere materiedeeltjes en duistere krachten is niet zo vergezocht als het lijkt. Ons begrip van de natuurkunde is gebaseerd op symmetrieën, dit zijn diepe wiskundige relaties tussen deeltjes. Het is mogelijk dat er aanvullende symmetrieën zijn in de natuurwetten die donkere materie tot een tegenhanger van normale materie maken, en dat er voor elke vorm van interactie die normale materie kan aangaan, er een tegenhanger is in de donkere sector.
Zo kunnen we uit gewone materie eenvoudige atomen bouwen: een proton en een elektron, met elkaar verbonden, met een foton, de drager van de elektromagnetische kracht, die de interactie bemiddelt. We kunnen ook een versie hebben van dezelfde structuur van donkere materie, met een donker proton gebonden aan donkere elektronen door donkere fotonen: donkere atomen.
Atomaire donkere materie zou zich heel anders gedragen dan donkere materie die uit slechts één deeltje bestaat. Het belangrijkste is dat het heel moeilijk zou zijn voor eenvoudige donkere materie om samen te klonteren, en dat zou langzaam gebeuren, gedurende honderden miljoenen jaren. Gewone materie verzamelt zich in deze gladde klonten donkere materie om sterrenstelsels te vormen, maar verder leiden ze gescheiden levens. Atomaire donkere materie kan echter zijn eigen schaduwstelsels vormen - schijfachtige structuren die de grootte en locatie van zichtbare sterrenstelsels nabootsen.
Een team van astrofysici gebruikte deze intrigerende mogelijkheid om de evolutie van sterrenstelsels te modelleren en te zien welke waargenomen verschillen zouden kunnen ontstaan. Ze lieten atomaire donkere materie evolueren volgens zijn eigen krachten en onderzochten vervolgens hoe deze nieuwe structuren zichtbare sterrenstelsels zouden beïnvloeden door de nieuwe organisatie van de zwaartekracht. Ze publiceerden hun resultaten in april in een online preprint-database arXiv.
De onderzoekers ontdekten dat zelfs een kleine hoeveelheid atomaire donkere materie – slechts 6% van alle donkere materie in het universum, de rest niet meegerekend – genoeg is om de evolutie van sterrenstelsels radicaal te veranderen. Omdat atomaire donkere materie in staat is tot interactie, kan het gemakkelijk condenseren en energie verliezen door de emissie van een of andere vorm van donkere straling. Simulaties toonden aan dat er snel een "donkere schijf" in elk sterrenstelsel verschijnt, waarvan de spin nauw overeenkomt met de spin van de zichtbare, normale componenten.
Van daaruit bleef atomaire donkere materie condenseren, net zoals normaal gas condenseert tot wolken en uiteindelijk tot sterren. In de simulatie vormde atomaire donkere materie zijn eigen donkere sterren en kon zelfs zijn eigen zwarte gaten veroorzaken. Deze klonten zakten vervolgens weg in de galactische kern, waar de dichtheid toenam.
Door deze extra zwaartekracht wordt stervorming in de kernen van sterrenstelsels versneld, waardoor sterren veel sneller worden gevormd dan sterrenstelsels met eenvoudige donkere materie. Deze simulaties sloten zelfs sommige modellen van atomaire donkere materie uit, omdat die modellen ervoor zorgden dat hun sterrenstelsels te snel zonder nieuw stervormend materiaal kwamen te zitten.
Maar sommige modellen hebben de huidige limieten van waarnemingen overleefd, waardoor de mogelijkheid van het bestaan van atomaire donkere materie mogelijk wordt. De onderzoekers hopen dat verder theoretisch en experimenteel onderzoek licht zal werpen op de plausibiliteit van deze intrigerende vorm van exotische materie. Omdat atomaire donkere materie bijvoorbeeld zo efficiënt condenseert, kunnen we misschien dichte sterachtige klonten detecteren met toekomstige zwaartekracht-microlensstudies met behulp van NASA's Nancy Grace Space Telescope in Rome.
Lees ook: