AXIS Could Have Accessed Dark Matter Decays

Donkere materie is de onzichtbare steiger die het universum bij elkaar houdt. Astronomen weten dat het er is omdat sterrenstelsels te snel draaien om alleen door de zwaartekracht van zichtbare sterren bij elkaar te worden gehouden, en omdat licht van verre objecten buigt rond onzichtbare massa. Toch heeft niemand, ondanks decennia van zoeken, ooit direct een deeltje donkere materie gezien. Het straalt niet, reflecteert geen licht en interageert op geen enkele manier met gewone materie die we gemakkelijk kunnen detecteren. Een leidend idee om dit mysterie op te lossen, is dat donkere materie niet perfect stabiel is. In plaats daarvan zou het een zwaar, traag bewegend deeltje kunnen zijn dat af en toe vervalt, waarbij het uiteenvalt in lichtere deeltjes, waaronder fotonen, wat deeltjes van licht zijn. Als dit gebeurt, zouden die fotonen de aarde bereiken als een zeer specifiek, zwak signaal van röntgenstraling, dat duidelijk verschilt van de chaotische achtergrond van kosmische straling. Het vinden van dit signaal zou een directe manier zijn om te identificeren waar donkere materie uit bestaat.

Een team van onderzoekers onderzocht onlangs hoe goed een voorgestelde ruimtetelescoop, genaamd de Advanced X-ray Imaging Satellite, of AXIS, zou kunnen jagen op deze zwakke signalen. Hoewel de missie nooit gebouwd is, gebruikten de wetenschappers de gedetailleerde ontwerpplannen om te simuleren hoe het instrument zou presteren. Hun doel was om te zien of een observatorium met de specifieke capaciteiten van AXIS de kenmerkende gloed van vervallende donkere materie in het centrum van ons eigen sterrenstelsel zou kunnen opsporen. De studie toonde aan dat een dergelijke telescoop een krachtig hulpmiddel zou zijn, in staat om de vervalprocessen van donkere materie te detecteren met een gevoeligheid die ver boven wat huidige telescopen kunnen bereiken ligt, waarbij bestaande limieten in bepaalde massaberalen potentieel met een factor tien worden verbeterd.

De onderzoekers concentreerden zich op het Galactisch Centrum, de dichte kern van de Melkweg, waar de concentratie van donkere materie naar verwachting het hoogst is. Ze modelleerden twee verschillende manieren waarop deze donkere materie in een wolk rond het centrum van ons sterrenstelsel verdeeld zou kunnen zijn. In één scenario stijgt de dichtheid van de donkere materie scherp richting het centrum, terwijl deze in het andere scenario geleidelijker stijgt. Ze hielden ook rekening met het feit dat het universum overal gevuld is met donkere materie, niet alleen in ons eigen sterrenstelsel. Fotonen van vervallende donkere materie uit verre sterrenstelsels zouden ons ook bereiken, hoewel ze door de uitdijing van het universum naar lagere energieën zijn uitgerekt. Het team combineerde deze bronnen om het totale aantal röntgenfotonen te voorspellen dat een AXIS-achtige telescoop zou verzamelen tijdens een lange periode van observatie.

Om te bepalen of de telescoop het signaal daadwerkelijk zou kunnen vinden, moesten de wetenschappers rekening houden met de ruis die het zou overstemmen. In de röntgenhemel is er een constante brom van achtergrondstraling afkomstig van heet gas in ons sterrenstelsel, verre actieve zwarte gaten en deeltjes die tegen de telescoop zelf botsen. Het team gebruikte de meest recente simulatiebestanden van het AXIS-instrument om exact te berekenen hoeveel achtergrondfotonen in de detector zouden verschijnen. Ze vergeleken deze ruis vervolgens met het kleine aantal extra fotonen dat zou verschijnen als donkere materie zou vervallen. De sleutel tot hun succes lag in het ontwerp van de telescoop: het zou een zeer groot verzameloppervlak hebben om zoveel mogelijk fotonen op te vangen, een breed gezichtsveld om een groot deel van de hemel te scannen, en het vermogen om röntgenstraling met extreme precisie te focussen, waarbij details zo klein als enkele boogseconden worden opgelost. Deze scherpe focus zou helpen om het zwakke signaal van donkere materie te scheiden van de wazige achtergrond van andere kosmische bronnen.

De resultaten van de simulatie toonden aan dat een AXis-achtig instrument in staat zou zijn om de levensduur van donkere materie te onderzoeken tot ongeveer 10 tot de macht 31 seconden. Om dit getal in perspectief te plaatsen: het universum is slechts ongeveer 13,8 miljard jaar oud, wat ongeveer 4 tot de macht 17 seconden is. Dit betekent dat de telescoop deeltjes van donkere materie kan detecteren die zo stabiel zijn dat ze triljoenen malen langer zouden leven dan de huidige leeftijd van het universum. De studie bewees dat voor een breed scala aan mogelijke massa's van donkere materie, specifiek op de kilo-elektronvolt-schaal, de nieuwe telescoop vervalprocessen zou kunnen zien die momenteel onzichtbaar zijn voor onze beste bestaande observatoria. De verbetering in gevoeligheid zou aanzienlijk zijn, reikend tot niveaus die een orde van grootte beter zijn dan wat momenteel mogelijk is.

De onderzoekers vertaalden hun algemene bevindingen ook naar de taal van twee specifieke theorieën over wat donkere materie zou kunnen zijn. De eerste theorie betreft axion-achtige deeltjes, hypothetische deeltjes die zouden kunnen vervallen in twee fotonen. De tweede theorie betreft sterile neutrino's, een type zwaar neutrino dat alleen via zwaartekracht interageert en zou kunnen vervallen in een enkel foton en een standaard neutrino. Door hun simulatieresultaten toe te passen op deze theorieën, lieten het team zien dat een AXIS-achtige telescoop ofwel deze deeltjes zou kunnen ontdekken, ofwel grote delen van de parameterruimte waar zij zich zouden kunnen bevinden, zou kunnen uitsluiten. Voor het sterile neutrino bevestigde de studie dat de telescoop massa's kan testen die momenteel zijn toegestaan door andere beperkingen, maar die nog niet direct zijn waargenomen.

Hoewel de AXIS-missie zelf niet is geselecteerd voor constructie, dient het werk als een vitale benchmark voor de toekomst van de röntgenastronomie. De studie bewijst dat de combinatie van een groot verzameloppervlak, een breed gezichtsveld en hoge-resolutie beeldvorming het ideale recept is voor het jagen op zwakke, smalle lijnen van licht van vervallende donkere materie. De onderzoekers merkten op dat andere voorgestelde missies, zoals de Line Emission Mapper, mogelijk een nog grotere gevoeligheid zouden bereiken vanwege hun superieure energieresolutie, wat hen in staat zou stellen het signaal nog effectiever te onderscheiden van de achtergrondruis. Het AXIS-concept blijft echter een sterk voorbeeld van het soort instrument dat nodig is om eindelijk een glimp op te vangen van de onzichtbare materie die ons kosmos vormgeeft. De bevindingen suggereren dat als donkere materie überhaupt vervalt, de volgende generatie röntgentelescopen degene zal zijn die het vindt.