Studie suggereert dat nieuw gammastraalsignaal eerste directe bewijs van donkere materie kan zijn

Een vreemd signaal komt uit de Melkweg

Het Galactisch centrum is gewoonlijk de laatste plek waar astronomen gaan zoeken naar subtiele fysica. Het is een door schittering gevulde kluwen van dode sterren, heet gas en luidruchtige straling — een gebied waar de meeste delicate signalen verdwijnen in de chaos van de achtergrond. Dus toen een gelijkmatige, halo-achtige gloed van 20-GeV gammastralen opdook in een nieuwe analyse van satellietgegevens, viel dit onmiddellijk op.

De signatuur is afkomstig van meer dan een decennium aan waarnemingen door NASA's Fermi Gamma-ray Space Telescope. Na correctie voor bekende bronnen — pulsars, supernovaresten, interacties met kosmische straling en de verblindende band van het galactisch vlak — weigerde één component te verdwijnen. En tot ongemak van alle betrokkenen lijkt het opvallend veel op wat modellen voor donkere materie al jaren voorspellen.

Een eeuwenoud mysterie met een nieuw spoor

Het idee van donkere materie gaat terug naar het begin van de 20e eeuw, toen astronomen beseften dat sterrenstelsels veel sneller draaiden dan hun zichtbare massa toeliet. Iets onzichtbaars — en aanzienlijk zwaarders — zorgde voor de ontbrekende zwaartekracht. De daaropvolgende decennia versterkten de bewijslast: zwaartekrachtslenswerking, de dynamica van clusters, kaarten van de kosmische achtergrondstraling en simulaties van grootschalige structuren wijzen allemaal naar dezelfde conclusie.

Toch is elk stukje van dat bewijs gravitationeel geweest. Niemand heeft ooit waargenomen dat donkere materie op een andere manier reageert. Daarom zou een niet-gravitationele signatuur — vooral in gammastralen — transformationeel zijn.

Een 20-GeV halo die te zuiver is om te negeren

Het nieuwe resultaat is afkomstig van Tomonori Totani, die Fermi-gegevens analyseerde die ongeveer honderd graden rond het centrum van de Melkweg beslaan. Zijn methode was conservatief: trek voorgronden af, modelleer bekende processen en kijk wat er overblijft.

Wat overbleef was een brede, symmetrische gloed van hoogenergetische fotonen, met een piek op ongeveer 20 gigaelektronvolt — precies waar veel donkeremateriemodellen emissie voorspellen van annihilerende zwak wisselwerkende massieve deeltjes, oftewel WIMP's.

Het ruimtelijke patroon is van belang. Deze gloed weerspiegelt de verwachte vorm van de halo van donkere materie van het sterrenstelsel: gelijkmatig, gericht op het centrum en ver buiten de gebieden die gedomineerd worden door gewone astrofysische bronnen. Pulsars produceren die geometrie niet. Interacties met gas verspreiden zich niet zo ver. Supernovaresten zijn niet zo netjes.

Het is, met andere woorden, een patroon dat er niet zou moeten zijn, tenzij er iets ongebruikelijks aan de hand is.

Een deeltje dat iets te goed in de modellen past

Het energiespectrum is wat het resultaat verschoof van "interessant" naar "moeilijk te negeren". De waargenomen fotonen komen nauw overeen met spectra die worden geproduceerd wanneer hypothetische WIMP's met massa's van ongeveer 500 keer die van een proton annihileren in bekende deeltjes zoals bottom-quarks of W-bosonen.

Zelfs de geschatte annihilatiesnelheid — afgeleid van de helderheid van de halo — past comfortabel binnen de theoretische voorspellingen die het vakgebied al jaren leiden.

Die consistentie bewijst op zichzelf niets, maar het verkleint het speelveld. Bekende astrofysische processen hebben moeite om dezelfde combinatie van vorm, energiepiek en intensiteit te reproduceren.

Waarom voorzichtigheid nog steeds de boventoon voert

Het onderzoek naar donkere materie heeft al vaker momenten van opwinding gekend die werden gevolgd door teleurstelling. Schijnbaar veelbelovende signalen — uit het Galactisch centrum, dwergsterrenstelsels of deeltjesdetectoren — zijn bezweken onder heranalyse, verbeterde modellering of betere data. Dit geval zou er nog een kunnen zijn.

Totani benadrukt dat de interpretatie onafhankelijk moet worden getest. Alternatieve voorgrondmodellen zouden de gloed kunnen verklaren. Instrumentele effecten moeten worden uitgesloten. Zelfs als het signaal die filters overleeft, zullen onderzoekers vergelijkbare omgevingen willen bestuderen waar gewone gammabronnen schaars zijn.

Dat wijst naar dwergsterrenstelsels die om de Melkweg draaien — systemen die gedomineerd worden door donkere materie met een minimale astrofysische ruis. Als zij een bijbehorende 20-GeV "vingerafdruk" uitzenden, zou de bewijsvoering aanzienlijk sterker worden.

Een doorbraak, of het begin van een scherpere zoektocht

Als de halo werkelijk voortkomt uit de annihilatie van donkere materie, zou dit de eerste detectie markeren van een deeltje buiten het standaardmodel van de deeltjesfysica en de belangrijkste kosmologische ontdekking in decennia zijn.

Mocht het een onverklaard astrofysisch verschijnsel blijken te zijn, dan zal het nog steeds modellen verfijnen en toekomstige onderzoeken aanscherpen. Beide uitkomsten brengen het vakgebied verder.

Voorlopig bevindt de gamma-halo zich in de ongemakkelijke ruimte tussen fascinatie en zekerheid — boeiend genoeg om onderzoekers te stimuleren, maar dubbelzinnig genoeg om terughoudendheid te eisen. Maar na een eeuw jagen op een onzichtbare massa is zelfs een voorlopige aanwijzing genoeg om de jacht weer springlevend te laten voelen.