Het grootste verstoppertje van het heelal
Stel je voor: bijna 85 procent van alles wat er in het heelal bestaat, blijft voor ons volledig onzichtbaar. We kunnen het niet zien, niet aanraken en geen lamp op richten. Toch weten we dat het er is, omdat het alles om zich heen met zwaartekracht trekt. Wetenschappers noemen dit spul donkere materie. En eerlijk? Het maakt natuurkundigen al tientallen jaren gek.
We weten dat het er moet zijn, maar niemand heeft een idee wat het precies is. Het voelt een beetje als modderige schoenafdrukken in je hal, zonder dat je ooit de persoon ziet die ze achterliet.
Zwarte gaten als hulpspeurders
Toch zou juist een van de meest extreme dingen in het heelal kunnen helpen: zwarte gaten. Een team van natuurkundigen van MIT en een paar Europese universiteiten heeft daar een slimme manier voor bedacht.
Als twee zwarte gaten op elkaar botsen, trilt de ruimte zelf. Die trillingen noemen we zwaartekrachtgolven. Denk aan een bowlingbal die in een vijver plonst – overal verspreiden zich kringen. Met supergevoelige detectoren op aarde vangen we die golven al een paar jaar op.
Maar wat als die zwarte gaten eerst door een wolk donkere materie heen vlogen? Dan zou die materie misschien een stempel achterlaten op de golven die ze veroorzaken. Net zoals extra modder op al bestaande voetafdrukken iets nieuws verraadt.
Energie uit een draaiend gat
Het trucje zit hem in iets wat superradiantie heet. Donkere materie bestaat misschien uit hele kleine deeltjes die zich als golven gedragen. Als zo’n golf vlak bij een snel draaiend zwart gat komt, kan de spin van het gat energie overdragen aan de golf. Daardoor wordt die wolk donkere materie dichter en dichter.
Als een zwarte gat omgeven is door zo’n verdichte wolk, kan dat de zwaartekrachtgolven veranderen die ontstaan bij een botsing. De donkere materie laat dan een duidelijk patroon achter in de data.
Modellen en metingen
Het team bouwde gedetailleerde computersimulaties om dit idee te testen. Ze speelden met verschillende massa’s van zwarte gaten en met hoeveel donkere materie er omheen zat. Daarna keken ze of hun voorspellingen overeenkwamen met echte metingen.
Ze bestudeerden 28 sterke, duidelijke zwaartekrachtgolven die LIGO, Virgo en KAGRA al hadden opgevangen. Bij 27 signalen klopte alles met wat we al verwachten: twee zwarte gaten die in leegte botsen. Gewoon. Predictabel.
Maar één signaal viel op. Het dateert van 28 juli 2019 en heet GW190728.
Een vreemd signaal
Het signaal kwam van twee zwarte gaten die samen ongeveer twintig keer zo zwaar waren als de zon. Maar de vorm van de golf leek net iets anders dan normaal. Volgens de onderzoekers zou dit precies kunnen gebeuren als de zwarte gaten eerst door een dikke wolk donkere materie waren gegaan.
Ze benadrukken meteen: dit is geen bewijs. Het is een interessante hint die verder onderzoek vraagt. Zoals een vingerafdruk op een plaats delict – interessant, but nog lang geen veroordeling.
Een nieuwe manier om te zoeken
Wat mooi is aan dit idee: het draait de zoektocht om. Tot nu toe proberen we donkere materie rechtstreeks te meten, onder de grond, om alles te vermijden dat干扰 veroorzaakt. Hier zoeken we naar de effecten van donkere materie op iets dat we al kunnen zien – zwaartekrachtgolven.
“Zwarte gaten kunnen donkere materie concentreren,” zegt Josu Aurrekoetxea, een van de leiders van het project. “En we kunnen die verdichte materie nu terugvinden via de golven die ontstaan bij botsingen.”
Wat nu?
Dit is nog lang geen eindpunt. Met de nieuwe modellen kunnen onderzoekers nu alle toekomstige metingen bekijken voor meer signalen die wijzen op donkere materie. Elke hit – of juist een misser – leert ons iets over waar donkere materie zich ophoudt en hoe dense het moet zijn om een effect te zien.
Andere teams zullen deze bevindingen moeten controleren. Wetenschap werkt immers niet met één solo-hit. Maar dat er al één signaal past bij de voorspelling, maakt het toch spannend. Het legt een nieuw spoor uit.
Een blik vooruit
We kunnen tegenwoordig de ruimte zelf laten trillen meten. Onze detectoren zijn zo gevoelig dat ze trillingen kleiner dan een proton waarnemen. En daarmee zoeken ze naar iets dat bijna net zo invisibel is als het heelal zelf. Dat geeft een gevoel van grensverleggende natuurkunde.
Donkere materie blijft misschien niet altijd verborgen. En als we het eindelijk raken, zijn zwaartekrachtgolven misschien de zaklamp die het donkerste deel van het heelal verlicht.