Discovering Substellar Dark Matter Halos with Astrometric Weak Lensing of Multiply Imaged Quasars

Donkere materie is de onzichtbare steiger van het universum. We weten dat het er is omdat de zwaartekracht ervan sterrenstelsels bij elkaar houdt en het pad van het licht van verre sterren afbuigt, maar we hebben nog nooit een enkel deeltje ervan gezien. Decennialang hebben wetenschappers aangenomen dat deze mysterieuze substantie "koud" is, wat betekent dat het langzaam beweegt en gemakkelijk samenklontert, waardoor een uitgestrekt kosmisch web van halo's ontstaat die variëren van massieve clusters van sterrenstelsels tot minuscule, sub-stellaire wolken. De kleinste van deze wolken zijn echter hardnekkig buiten bereik gebleven. Theorieën voorspellen dat ze in overweldigende aantallen zouden moeten bestaan, maar huidige telescopen kunnen ze niet zien omdat ze geen licht uitzenden en te klein zijn om de beelden van achtergrondobjecten op een manier te vervormen die we gemakkelijk kunnen meten. Dit laat een gat in ons begrip: als het universum gevuld is met deze kleine klonten donkere materie, hebben we een manier nodig om ze te vinden, en door dat te doen, kunnen we eindelijk leren waar donkere materie uit bestaat.

Een nieuwe studie stelt een slimme manier voor om op zoek te gaan naar deze onzichtbare puntjes door te kijken naar hoe licht in de loop van de tijd beweegt. De onderzoekers, Ken Van Tilburg en David E. Kaplan, stellen voor om gebruik te maken van een techniek genaamd time-domain astrometrische zwakke lensing. Stel je een verre quasar voor, een stralend baken van licht aangedreven door een zwart gat, dat in meerdere beelden is gesplitst door een massief sterrenstelsel of een cluster van sterrenstelsels dat tussen de quasar en de aarde staat. Terwijl het licht van deze beelden naar ons toe reist, passeert het de zwaartekrachtsvelden van talloze kleine halo's van donkere materie. Deze halo's fungeren als onzichtbare lenzen die het lichtpad telkens een heel klein beetje afbuigen. Door de beweging van de aarde, het lense-sterrenstelsel en de quasar vegen de lichtstralen over deze kleine halo's. Deze beweging veroorzaakt dat de schijnbare posities van de quasarbeelden trillen en driften volgens een specifiek, voorspelbaar patroon. Door deze minuscule bewegingen over vele jaren met extreme precisie te meten, zouden wetenschappers de collectieve zwaartekrachtinvloed van de kleinste structuren van donkere materie kunnen detecteren.

Het team richtte zich op twee specifieke kosmische laboratoria om dit idee te testen: de door een sterrenstelsel gelensde quasar B1422+231 en de door een cluster gelensde quasar SDSS J1029+2623. In het eerste systeem splitst een voorgrondsterrenstelsel het licht van de quasar in vier heldere beelden. In het tweede systeem creëert een massieve cluster van sterrenstelsels drie wijd verspreide beelden. De onderzoekers simuleerden een tienjarige campagne met een toekomstig instrument dat in staat is de positie van deze lichtvlekken te meten met een precisie van één tiende van een microboogseconde. Om te visualiseren hoe klein dit is: stel je voor dat je de breedte van een menselijke haar meet vanaf een afstand van 100 kilometer; dat is het niveau van scherpte dat vereist is. Ze kwamen tot de conclusen dat, als de standaardtheorie van koude donkere materie correct is, de beelden van deze quasars een meetbare "wobbel" en een lichte, anomale versnelling in hun beweging zouden vertonen. Dit signaal zou het sterkst zijn voor halo's van donkere materie met massa's tussen één miljoenste en één zonnemassa, een bereik dat twaalf tot veertien ordes van grootte kleiner is dan de kleinste structuren van donkere materie die tot nu toe zijn gedetecteerd.

De studie voorspelt dat een dergelijke survey de aanwezigheid van deze micro-halo's met een hoge mate van vertrouwen zou kunnen detecten, mits de gegevens vrij zijn van andere bronnen van ruis. De grootste hindernis is niet het instrument, maar de sterren binnen de lense-sterrenstelsels zelf. Sterren kunnen ook licht buigen, wat een achtergrond van "microlensing" creëert die het subtiele signaal van donkere materie zou kunnen verbergen. De onderzoekers laten echter zien dat de sterren in het sterrenstelsel-lens even schaars zijn nabij de quasarbeelden dat ze één voor één geïdentificeerd en afgetrokken kunnen worden met behulp van geavanceerde intensiteitsinterferometrie. Voor de cluster-lens is de omgeving nog leger van sterren, wat een schoner beeld biedt, hoewel de beelden minder helder zijn. Als de survey erin slaagt om deze trilling te detecteren, zou dit bevestigen dat het universum inderlijk gevuld is met deze kleine, aardse klonten donkere materie. Het zou ook strikte grenzen stellen aan de eigenschappen van het deeltje donkere materie, waardoor veel theoretische modellen die een veel gladdere, minder klonterige verdeling voorspellen, worden uitgesloten.

Omgekeerd zijn de implicaties van het niet vinden van iets even diepgaand. Een gebrek aan deze trilling zou suggereren dat de kleinste halo's van donkere materie niet bestaan of zijn vernietigd, wat zou betekenen dat het deeltje donkere materie veel zwaarder is of interageert op manieren die klontering op zulke kleine schalen voorkomen. Dit zou een herschrijving van ons begrip van het vroege universum afdwingen, specifiek de omstandigheden vlak na de oerknal toen deze structuren zouden zijn gevormd. Het artikel benadrukt dat hoewel geen enkel huidig telescoop de benodigde precisie kan bereiken, de technologie binnen het bereik ligt van instrumenten van de volgende generatie, zoals de voorgestelde EPIC-faciliteit. Door de hemel te veranderen in een gigantisch, langdurig experiment, zouden astronomen eindelijk de onzichtbare bouwstenen van het kosmos kunnen wegen, waarmee ze overgaan van gissen naar de aard van donkere materie naar het direct meten ervan.