Multimessenger search strategy for composite dark matter with white dwarf data and gravitational wave detectors

Het universum is gevuld met een mysterieuze substantie genaamd donkere materie. We weten dat het er is omdat de zwaartekracht ervan sterrenstelsels bij elkaar houdt en het licht van verre sterren afbuigt, maar het zendt geen licht uit, absorbeert geen licht en reflecteert geen licht. Decennia lang hebben wetenschappers naar het gezocht door te zoeken naar minuscule, onzichtbare deeltjes die ons elke seconde zouden kunnen passeren. Echter, ondanks decennia aan inspanningen, heeft niemand ook maar één van deze deeltjes gevonden. Dit gebrek aan ontdekking heeft ertoe geleid dat sommige onderzoekers een andere mogelijkheid overwegen: dat donkere materie helemaal niet uit minuscule deeltjes bestaat, maar uit grote, zware klonten. Deze klonten zouden macroscopische objecten zijn, misschien zo klein als een zandkorrel of zo groot als een berg, gevormd uit dezelfde donkere stof die de onzichtbare massa van het kosmos vormt. Het probleem met het zoeken naar deze grote klonten is dat ze zo zeldzaam zijn. Omdat ze zwaar zijn, zijn er veel minder van deze klonten rondzwevend dan er minuscule deeltjes zijn, wat ze extreem moeilijk te vangen maakt met standaarddetectoren op aarde.

Om dit probleem op te lossen, heeft een team onderzoekers van de Sun Yat-sen Universiteit in China een nieuwe manier voorgesteld om op zoek te gaan naar deze grote klonten donkere materie. In plaats van te wachten tot ze een detector in een laboratorium raken, stellen zij voor om te luisteren naar de rimpelingen die ze in de ruimte zelf kunnen veroorzaken, terwijl ze ook de geschiedenis van dode sterren heronderzoeken. De onderzoekers richtten zich op een specifiek type donkere materie dat bestaat uit samengestelde objecten, vergelijkbaar met hoe atomen uit kleinere deeltjes bestaan, maar die in een verborgen sector van het universum bestaan. Deze objecten kunnen zwaar genoeg zijn om hun eigen zwaartekracht te hebben en kunnen interageren met normale materie via een kracht die iets sterker is dan zwaartekracht. Het team ontwikkelde een verenigde strategie die twee zeer verschillende soorten observaties combineert: de gewelddadige dood van sterren en de gevoelige instrumenten die ontworpen zijn om de zwaartekrachtgolven van botsende zwarte gaten te horen.

Het eerste deel van hun strategie houdt in dat er gekeken wordt naar witte dwergen, wat de dichte, afkoelende kernen zijn van sterren zoals onze Zon nadat ze hun brandstof hebben opgebrand. Deze sterren zijn ongelooflijk dicht en fungeren als massieve, langdurige detectoren. Als een grote klont donkere materie door een witte dwerg zou vliegen, zou deze tegen de atomen van de ster botsen en energie overdragen terwijl hij erdoorheen beweegt. Als de klont zwaar genoeg is en snel genoeg beweegt, zou deze energieoverdracht een klein plekje binnen de ster kunnen verhitten tot miljoenen graden. Deze plotselinge hitte zou een ongecontroleerde kernexplosie kunnen triggeren, waardoor de witte dwerg in een supernova verandert. De onderzoekers analyseerden gegevens van duizenden witte dwergen om te zien of er enige van hen explodeerden op een manier die verklaard kon worden door dit proces. Door nauwkeurigere modellen van de interne structuren van de sterren en een grotere database van bekende witte dwergen dan ooit tevoren te gebruiken, berekenden ze precies hoeveel energie een klont donkere materie zou moeten overdragen om een dergelijke explosie te veroorzaken. Ze kwamen tot de conclusie dat als deze klonten bestaan en op een specifieke manier interageren met normale materie, ze explosies in veel van de witte dwergen die we al waargenomen hebben, zouden hebben getriggerd. Omdat we deze explosies niet zo vaak zien gebeuren als de theorie voorspelt, waren de onderzoekers in staat om een breed scala aan mogelijkheden voor wat deze klonten donkere materie zouden kunnen zijn uit te sluiten, specifiek het beperken van de sterkte van hun interactie met normale materie.

Het tweede deel van de studie kijkt naar de toekomst, gebruikmakend van ruimtegebaseerde instrumenten die ontworpen zijn om zwaartekrachtgolven te detecteren. Deze detectoren, zoals de geplande missies LISA, TianQin en Taiji, bestaan uit satellieten die in de ruimte zweven en die minuscule veranderingen in afstand tussen hen met extreme precisie meten. De onderzoekers realiseerden zich dat als een zware klont donkere materie langs een van deze satellieten zou vliegen, de zwaartekracht van de klont aan de testmassa's binnen het instrument zou trekken. Deze ruk zou een minuscule, detecteerbare verschuiving in de snelheid van de satelliet veroorzaken, wat een uniek signaal in de gegevens creëert. In tegen tegenstelling tot de methode van de witte dwerg, die kijkt naar de afwezigheid van explosies, kijkt deze methode naar de aanwezigheid van een specifieke gravitationele duw. Het team berekende de gevoeligheid van deze toekomstige detectoren en stelde vast dat ze donkere materieklonten met massa's variërend van één gram tot tien biljoen gram zouden kunnen opsporen, mits de klonten interageren met normale materie met een kracht die aanzienlijk sterker is dan zwaartekracht. Deze benadering opent een nieuw venster naar het universum, waardoor wetenschappers regio's in het landschap van donkere materie kunnen verkennen die volledig onzichtbaar zijn voor traditionele deeltjesdetectoren en zelfs voor de methode van de witte dwerg.

De onderzoekers combineerden deze twee benaderingen om een krachtige, multi-messenger zoekstrategie te creëren. Ze ontdekten dat voor klonten donkere materie met een lagere interne dichtheid, de beperkingen vanuit de witte dwergexplosies zo strikt zijn dat ze bijna geen ruimte laten voor het bestaan van deze objecten. Echter, voor klonten met een zeer hoge interne dichtheid verliest de methode van de witte dwerg haar kracht, maar worden de zwaartekrachtgolfdetectoren het perfecte instrument. In dit regime van hoge dichtheid zouden de ruimtegebaseerde detectoren deze objecten potentieel kunnen identificeren en zelfs hun eigenschappen met grote precisie kunnen meten. Het team gebruikte statistische instrumenten om aan te tonen dat als er een signaal wordt gedetecteerd, deze instrumenten de massa van de klont donkere materie en de sterkte van de interactie met normale materie tot op enkele procenten nauwkeurig kunnen bepalen. Dit betekent dat als deze zware klonten bestaan en langs onze toekomstige ruimteobservatoria passeren, we niet alleen zullen weten dat ze er zijn, maar we zullen ook precies begrijpen waar ze van gemaakt zijn.

Door de kloof te overbruggen tussen de studie van stervende sterren en het vooruitstrevende gebied van de zwaartekrachtgolfastronomie, biedt dit werk een uitgebreid plan om deze ongrijpbare macroscopische donkere materie-objecten ofwel te ontdekken, ofwel volledig uit te sluiten. De studie demonstreert dat het universum meerdere manieren biedt om onze theorieën te testen, en door de gewelddadige geschiedenis van sterren naast de stille precisie van ruimte-interferometers te gebruiken, kunnen we een van de meest hardnekkige mysteries in de fysica eindelijk in het nauw drijven. De resultaten suggereren dat het volgende decennium van astronomische observatie het definitieve antwoord kan bieden op de vraag of donkere materie bestaat uit minuscule deeltjes of massieve, onzichtbare klonten, waarmee we een stap dichter bij het begrijpen van de ware aard van het kosmos komen.