Ubiquitous Corotation of Dark Matter Halos: Implications for Direct Detection

Stel je voor dat het universum gevuld is met een mysterieuze, onzichtbare substantie die donkere materie wordt genoemd. We kunnen het niet zien, aanraken of ruiken, maar we weten dat het er is omdat de zwaartekracht ervan werkt als een kosmische lijm, die sterrenstelsels bij elkaar houdt en voorkomt dat sterren wegvliegen in de leegte. Al decennia proberen wetenschappers een directe blik op deze onzichtbare deeltjes te vangen. Ze bouwen enorme, uiterst gevoelige detectoren diep onder de grond, in de hoop dat een deeltje donkere materie af en toe tegen een atoom in hun apparatuur botst, waardoor er een klein, meetbaar vonkje ontstaat.

Om te voorspellen hoe vaak deze botsingen zouden moeten plaatsvinden, moeten wetenschappers weten hoe de donkere materie zich door ons Zonnestelsel beweegt. Lange tijd gebruikten ze een eenvoudige, "standaard" gok: ze stelden zich de donkere materie voor als een kalme, perfect stilstaande mist, of misschien een zachte bries die uit alle richtingen gelijkmatig waait. Dit maakte de wiskunde eenvoudig. Maar het universum is zelden simpel. Net zoals een rivier stromingen, draaikolken en wervelingen heeft, kan de donkere materie om ons heen draaien, tollen of in specifieke richtingen razen. Als de donkere materie anders beweegt dan we dachten, verandert dit de snelheid waarmee de deeltjes onze detectoren raken, wat de deeltjes moeilijker vindbaar kan maken of het patroon van het signaal dat we verwachten kan veranderen. Het begrijpen van dit kosmische "weer" is cruciaal, want als we de windsnelheid verkeerd inschatten, kunnen we de donkere materie volledig missen, of erger nog, denken dat we haar gevonden hebben terwijl dat niet zo is.

In dit nieuwe onderzoek besloot een team van onderzoekers te stoppen met gokken en te beginnen met simuleren. Ze gebruikten een supercomputer om een enorme kosmische film genaamd TNG50 te draaien, die de geboorte en evolutie van bijna honderd sterrenstelsels volgt die net zo lijken als ons eigen Melkwegstelsel. In plaats van aan te nemen dat de donkere materie een kalme, uniforme mist is, observeerden ze hoe het zich daadwerkelijk gedroeg in deze gesimuleerde werelden. Wat ze vonden, was een kosmische dans die het oude, eenvoudige beeld volledig op zijn kop zette.

De onderzoekers ontdekten dat in bijna al deze gesimuleerde sterrenstelsels de donkere materie niet alleen maar stilzit of willekeurig drijft. In plaats daarvan draait het! Specifiek heeft de donkere materie de neiging om in dezelfde richting te roteren als de zichtbare schijf van sterren en gas van het sterrenstelsel. De auteurs noemen dit "corotatie". Het is alsoals je op een draaimolen staat en in plaats van dat de mensen om je heen stilstaan of in willekeurige richtingen lopen, iedereen in precies dezelfde cirkel rent als de rit zelf. In hun simulaties was deze draaiende beweging de regel, niet de uitzondering: 91% van de sterrenstelsels vertoonde dit gedrag. De snelheid van deze draaiing varieerde, waarbij de mediaan van de rotatiesnelheid tussen de 6 en 70 km/s lag (16e–84e percentiel), maar de richting was consistent uitgelijnd met de rotatie van het sterrenstelsel.

Deze ontdekking heeft een grote impact op hoe we op zoek gaan naar donkere materie. Wanneer de donkere materie meedraait met het sterrenstelsel, verandert dit de "wind" van deeltjes die de aarde raken. Stel je voor dat je door een menigte rent. Als de menigte stilstaat, voel je een sterke bries tegen je gezicht. Maar als de menigte in dezelfde richting rent als jij, is de bries tegen je gezicht zwakker omdat je niet zo snel door hen heen snijdt. Vergelijkbaar daarmee zorgt het feit dat de donkere materie met ons sterrenstelsel meedraait, ervoor dat de boost in snelheid die de aarde normaal gesproken krijgt door door een stationaire halo te ploegen, wordt verminderd. De studie vond dat dit effect de deeltjes donkere materie relatief ten opzichte van de aarde vertraagt, waarbij de mediaan geocentrische snelheid daalde van de standaard 351 km/s naar 327 km/s in deze simulaties.

Deze vertraging verandert het spel voor wetenschappers die op zoek zijn naar lichte deeltjes donkere materie (die lichter zijn dan 50 GeV). Omdat de deeltjes langzamer bewegen, botsen ze niet met genoeg energie tegen de atomen in de detector om zo vaak een vonkje te veroorzaken als het oude "kalme mist"-model voorspelde. De onderzoekers berekenden dat dit voor een typisch experiment de bovengrens voor hoe sterk donkere materie interageert met normale materie met 21% kan verzwakken. Met andere woorden: als we geen rekening houden met deze draaiing, kunnen we denken dat we bepaalde soorten donkere materie hebben uitgesloten, terwijl dat eigenlijk niet zo is.

Er is echter een zilveren randje aan de wolk. De studie laat zien dat deze onzekerheid geen permanente mysterie is. De mate van vertraging is direct gekoppeld aan hoe snel de donkere materie draait. Als we de rotatiesnelheid van de donkere materie in ons eigen Melkwegstelsel kunnen meten — bijvoorbeeld door te bestudelen hoe ons sterrenstelsel is gevormd — kunnen we deze onzekerheid vastleggen. De auteurs vonden dat als we de rotatiesnelheid kennen, de onzekerheid daalt van een verwarrende 21% naar een veel hanteerbaardere 7%.

De bevindingen zijn ook van belang voor een speciaal type detector die kan aangeven uit welke richting een deeltje kwam. Deze detectoren zoeken naar een dagelijkse "wiebel" in het signaal terwijl de aarde draait. De studie vond dat omdat de donkere materie draait en breder verspreid is over de hemel (als een diffuse wolk in plaats van een nauwe straal), deze dagelijkse wiebel veel zwakker is dan verwacht. Sterker nog, de "modulatie" van het signaal kan tot wel 70% lager zijn vergeleken met het standaardmodel. Dit betekent dat directionele detectoren zelfs gevoeliger moeten zijn dan we dachten om het signaal op te vangen.

Uiteindelijk suggereert dit artikel dat het universum dynamischer is dan we het krediet hebben gegeven. De donkere materie om ons heen is geen statische achtergrond; het is een draaiende, tollende partner in de galactische dans. Hoewel dit de zoektocht naar donkere materie een stuk lastiger maakt, geeft het ons ook een nieuwe aanwijzing: als we de draaisnelheid van de donkere halo van ons eigen sterrenstelsel kunnen meten, kunnen we de mist wegblazen en het signaal veel duidelijker zien. De auteurs benadrukken dat deze resultaten voortkomen uit computersimulaties, en hoewel ze overeenkomen met andere recente studies, hopen ze dat toekomstige observaties zullen bevestigen dat ons echte Melkwegstelsel inderdaad in stap draait met zijn onzichtbare schaduw.