Wolken van de raadselachtige donkere materie zouden als een jurk rond sommige zwarte gaten kunnen hangen. De aanwezigheid van zo’n jurk kan zichtbaar zijn in de zwaartekrachtsgolven die ontstaan als het zwarte gat samensmelt met een ander object. Dat schrijft een groep Amsterdamse en Spaanse astrofysici in een artikel op de voorpublicatiewebsite ArXiv.
Ongeveer 85 procent van de materie in het heelal bestaat uit iets dat we nog niet kennen. We weten dat deze ‘donkere materie’ nodig is om de bewegingen van sterren en sterrenstelsels te verklaren. Maar niemand weet wat voor spul het is. Er wordt al jaren tevergeefs naar gezocht, onder meer in deeltjesfysica-experimenten.
Sinds een paar jaar hebben fysici een nieuwe manier om het heelal te bestuderen: via zwaartekrachtsgolven. Deze golven in de ruimtetijd ontstaan bijvoorbeeld als twee zwarte gaten of neutronensterren naar elkaar toe bewegen, botsen en samensmelten.
Donkere jurken
Een groep astrofysici, onder wie Gianfranco Bertone en Adam Coogan van de Universiteit van Amsterdam, stelt nu een manier voor om via zwaartekrachtsgolven te zoeken naar donkere materie. Hierbij gaat het om wolken van donkere materie die om een zwart gat heen zouden kunnen hangen.
‘Deze donkere jurken hebben geen directe invloed op de zwaartekrachtsgolven, maar ze beïnvloeden wel de manier waarop zwarte gaten bewegen’, mailt Bradley Kavanagh van het Instituto de Física de Cantabria in Spanje. ‘Dat gebeurt vooral via een effect genaamd dynamische wrijving. Hierbij ervaart een zwaar object, zoals een zwart gat, een soort wrijving als het door een wolk van deeltjes beweegt.’ Die wrijving ontstaat door zwaartekrachtseffecten.
Deze wrijving beïnvloedt de beweging van zwarte gaten of neutronensterren die naar elkaar toe spiralen. En dat is ook het moment waarop er zwaartekrachtsgolven uitgezonden worden. De zwaartekrachtsgolven die wij kunnen meten, tonen de laatste paar rondjes die twee zwarte gaten of neutronensterren om elkaar heen draaien voordat ze samensmelten.
Als een van de twee een donkere jurk draagt, dan zullen ze minder rondjes om elkaar spiralen voor het samensmelten. Als je zwaartekrachtgolven meet met minder cycli dan je verwacht, dan kan dat dus een teken zijn van een donkere-materiejurk.
Oer-zwarte gaten
Of donkere jurken bestaan is nog niet zeker. Maar de astrofysici denken dat er twee manieren zijn waarop een zwart gat zich zo’n jurk zou kunnen aanmeten.
‘Een mogelijkheid is dat ze vormden rond zogeheten oer-zwarte gaten’, mailt Coogan. Deze zwarte gaten zouden kort na de oerknal zijn ontstaan, toen donkere materie (waarschijnlijk) nog gelijkmatiger over het heelal verspreid was.
Het bestaan van oer-zwarte gaten is nog onzeker. Als ze bestaan, dan zou donkere materie in de nabije omgeving van een oer-zwart gat tijdens zijn vorming door de zwaartekracht eraan gebonden kunnen raken en zo een donkere jurk kunnen vormen. Dat zou vergelijkbaar zijn met de maan die door de zwaartekracht gebonden is aan de aarde.
Meer weten? Lees hier een interview met Gianfranco Bertone, een van de auteurs van deze studie.
In het tweede scenario is het heelal wat ouder. ‘Hier gaat het om zwarte gaten die ontstaan in een wolk van donkere materie’, zegt Kavanagh. ‘Het zwarte gat kan dan, in de al hoge dichtheid van donkere materie, een donkere jurk om zich heen vormen.’
Een donkere jurk krijg je als zwart gat dus niet zomaar. En als je er een hebt, dan is het lastig die te behouden. De jurk kan gemakkelijk weggerukt worden door verstoringen in de omgeving. Kavanagh: ‘Een van de vragen die we binnenkort hopen te beantwoorden is: hoeveel zwarte gaten kunnen zich een donkere jurk aanmeten?’
Wachten op LISA
Het bestaan van donkere jurken is dus nog speculatief. En áls ze bestaan, dan kunnen de huidige zwaartekrachtsgolfdetectoren ze zeer waarschijnlijk nog niet detecteren, schrijven de onderzoekers. ‘Om een donkere jurk te detecteren hebben we een specifiek systeem nodig’, zegt Kavanagh. ‘Dat is een zwart gat dat ongeveer honderd tot honderdduizend keer zwaarder is dan de zon, waar een veel lichter zwart gat of een neutronenster omheen spiraalt.’ Het zwaardere zwart gat draagt hierbij de jurk.
‘De frequentie van de zwaartekrachtsgolven die deze specifieke systemen uitzenden is te laag voor de huidige zwaartekrachtsgolfdetectoren’, voegt Coogan toe. De toekomstige LISA-detector, die zich in de ruimte moet gaan bevinden, zal ze wel kunnen meten. ‘Op LISA zullen we nog zeker tien jaar moeten wachten. Dat geeft ons wel de tijd om onze theoretische modellen te verbeteren, zodat we klaar staan als de metingen beginnen.’
