Mogelijk eerste directe signaal van donkere materie

Zou donkere materie na een eeuw aan indirecte aanwijzingen eindelijk zijn waargenomen?

Al bijna honderd jaar leiden astronomen het bestaan van donkere materie af uit de gravitationele vingerafdrukken: rotatiecurven van sterrenstelsels, zwaartekrachtlenzen en grootschalige structuren. Deze week heeft een nieuwe analyse van gegevens van NASA’s Fermi Gamma-ray Space Telescope het debat opnieuw aangewakkerd. Er wordt melding gemaakt van een halo-vormig overschot aan hoogenergetische gammastralen rond het galactisch centrum, waarvan de auteur stelt dat het consistent is met de annihilatie van zwak wisselwerkende massieve deeltjes (WIMP's), een belangrijke kandidaat voor donkere materie.

Wat Totani deed — en waarom het opvalt

Het team verwerkte 15 jaar aan Fermi-LAT-gegevens opnieuw over een breed gebied van de hemel buiten het galactische vlak. Ze bouwden kaarten en pasten deze aan met een combinatie van bekende componenten: gecatalogiseerde puntbronnen, modellen voor interacties van kosmische straling (GALPROP), grote uitgestrekte structuren zoals de Fermi-bubbels en Loop I, en een isotrope achtergrond. Na het verwijderen van die bijdragen vonden ze een residu-component met een sferisch symmetrisch radiaal profiel en een uitgesproken spectrale piek rond 20 GeV. Het residu is klein vergeleken met de heldere emissie van het galactische vlak, maar blijft aanwezig bij verschillende modelleringskeuzes, aldus de auteur.

Cijfers die ertoe doen

De best passende interpretatie in termen van de annihilatie van donkere materie geeft de voorkeur aan deeltjesmassa's in de orde van 0,5–0,8 TeV en een annihilatie-doorsnede in de orde van 5–8 × 10⁻²⁵ cm³ s⁻¹ voor annihilatie in bottom-quarks. Totani en co-auteurs benadrukken dat, hoewel deze doorsnede groter is dan de canonieke thermische overblijfsel-benchmark (~3 × 10⁻²⁶ cm³ s⁻¹) en boven veel limieten uit waarnemingen van dwergstelsels ligt, onzekerheden in het binnenste dichtheidsprofiel van de Melkweg en systematische modelleringskeuzes betekenen dat de mogelijkheid van donkere materie nog niet kan worden uitgesloten.

Waarom de meeste onderzoekers terughoudend zullen zijn

Buitengewone claims vereisen buitengewoon onderzoek. Overschotten aan gammastraling richting het galactisch centrum hebben een lange geschiedenis — met name het zogenaamde GeV-overschot waarover al meer dan een decennium wordt gedebatteerd — en astrofysische verklaringen zoals niet-geïdentificeerde populaties pulsars of verkeerd gemodelleerde interacties van kosmische straling zijn herhaaldelijk voorgesteld. Onafhankelijke waarnemers wijzen op twee directe zorgen: ten eerste is de annihilatie-doorsnede die Totani vindt groter dan de strikte bovengrenzen die zijn vastgesteld door gezamenlijke analyses van dwerg-sferoïdale sterrenstelsels, wat relatief schone, door donkere materie gedomineerde doelen zijn; ten tweede zou elke interpretatie van donkere materie idealiter een consistent signaal moeten reproduceren in andere omgevingen die rijk zijn aan donkere materie. Deze spanningen maken de claim voorlopig.

Waar de spanning vandaan komt

Dwerg-sferoïdale sterrenstelsels die rond de Melkweg draaien, zijn lang de gouden standaard geweest voor zoektochten naar donkere materie via gammastraling, omdat ze grote massa-lichtverhoudingen hebben en weinig astrofysische gammabronnen bevatten. Gecombineerde analyses van meerdere observatoria voor gammastraling hebben strikte limieten gesteld aan annihilatie-doorsneden over een breed massabereik; een signaal dat een doorsnede vereist die een orde van grootte boven die limieten ligt, zal natuurlijk de wenkbrauwen doen fronsen. Het artikel van Totani behandelt die spanning door onzekerheden in het dichtheidsprofiel van de Melkweg te onderzoeken en door op te merken dat systematische modelleringsverschillen de afgeleide doorsnede kunnen veranderen, maar de spanning is reëel en zal centraal staan bij verificatiepogingen.

Wat zou de interpretatie versterken of ontkrachten?

• Onafhankelijke heranalyse van Fermi-gegevens: teams die verschillende achtergrondmodellen, gebeurtenisselecties of analysemethoden gebruiken, moeten hetzelfde halo-achtige residu vinden om het vertrouwen te vergroten.
• Detectie in andere doelen: het zien van een overeenkomstige spectrale signatuur van dwergstelsels, clusters van sterrenstelsels of donkere sub-halo's zou een krachtige bevestiging zijn.
• Bevestiging door verschillende instrumenten: Cherenkov-telescopen op de grond en de volgende generatie Cherenkov Telescope Array (CTA) hebben complementaire energiebereiken en hoekresoluties; zij zouden de spectrale eigenschap kunnen bevestigen of uitsluiten. Evenzo zullen toekomstig Fermi-werk en multi-golflengtestudies van belang zijn.
• Consistentie met deeltjesfysica: de geïmpliceerde deeltjesmassa en annihilatiesnelheid moeten passen binnen laboratorium- en kosmologische beperkingen, of aanleiding geven tot een geloofwaardig nieuw deeltjesmodel dat de vereiste snelheid verklaart zonder in strijd te zijn met andere gegevens.

Waarom dit baanbrekend zou zijn — indien bevestigd

Een overtuigende detectie van de annihilatie van donkere materie zou meer doen dan een ontbrekende pagina in de kosmologie invullen: het zou een nieuw fundamenteel deeltje identificeren voorbij het standaardmodel, een brug slaan tussen astrofysica en deeltjesfysica, en experimenten bij deeltjesversnellers en directe-detectiefaciliteiten richten op concrete doelmassa's en interactiesterktes. Dat is de reden waarom de gemeenschap hoge bewijsstandaarden zal eisen. De belangen zijn enorm, maar dat geldt ook voor de hindernissen.

De kern van de zaak

De analyse van Totani presenteert een intrigerende, zorgvuldig geformuleerde casus voor een halo-vormig gammastraling-overschot van 20 GeV dat compatibel is met WIMP-annihilatie, maar het beantwoordt de vraag nog niet definitief. Het resultaat is een sterk kandidaatsignaal dat zal leiden tot verdere heranalyses, gerichte zoektochten in dwergstelsels en waarnemingen door andere faciliteiten voor gammastraling. In de komende maanden — en vooral wanneer onafhankelijke teams de gegevens controleren en nieuwe instrumenten hetzelfde energieregime onderzoeken — zullen we ontdekken of dit de langverwachte eerste glimp van donkere materie is of weer een van de hardnekkige astrofysische raadsels van het universum.

James Lawson is wetenschaps- en technologierelatieverslaggever voor Dark Matter. Hij heeft een MSc in wetenschapscommunicatie en een BSc in natuurkunde van University College London.