Astrophysical Signatures of Fermionic Dark Matter

Het universum is gevuld met meer dan alleen de sterren, planeten en gaswolken die we kunnen zien. Astronomen weten al lang dat een enorme, onzichtbare substantie genaamd donkere materie sterrenstelsels bij elkaar houdt, als een soort gravitationele lijm die voorkomt dat ze uit elkaar vliegen. Hoewel deze substantie ongeveer een kwart van het universum beslaat, blijft de ware aard ervan een van de grootste mysteries in de wetenschap. We weten dat het geen licht uitzendt en bijna uitsluitend interactie heeft met gewone materie via zwaartekracht, maar we weten niet waaruit de deeltjes zijn opgebouwd. Een leidende idee suggereert dat donkere materie bestaat uit zware, langzaam bewegende deeltjes die zich gedragen als fermionen, een klasse deeltjes waartoe ook elektronen en protonen behoren. Omdat deze deeltjes niet tegelijkertijd dezelfde ruimte kunnen innemen, genereren ze een soort interne druk die massieve structuren kan ondersteunen tegen hun eigen zwaartekracht, vergelijkbaar met hoe de elektronendruk een witte dwergster voorkomt van in te storten. Als dergelijke deeltjes bestaan, zouden ze niet alleen vrij door de ruimte kunnen zweven; ze zouden kunnen samenklonteren om compacte, onzichtbare objecten te vormen.

Een team onderzoekers aan de Christ University in India begon te onderzoeken of deze fermionische donkere materie deeltjes inderdaad dergelijke compacte objecten konden vormen en, zo ja, hoe deze eruit zouden zien. Ze begonnen met het berekenen van de theoretische massa van deze objecten op basis van het gewicht van de donkere materie deeltjes zelf. Hun modellen suggereerden dat als de deeltjes een massa hebben van ongeveer 10 miljard elektronvolt, de resulterende compacte objecten ongeveer 1,6 procent van de massa van onze zon zouden wegen. Om te testen of deze onzichtbare reuzen zouden kunnen bestaan, richtten de wetenschappers zich op het fenomeen van gravitationele microlensing. Dit gebeurt wanneer een massief object voor een verre ster langs beweegt, waardoor het licht van de ster wordt afgebogen en de ster tijdelijk helderder lijkt. Door gegevens te beoordelen van surveys die miljoenen sterren hebben gemonitord op deze korte helderheidsevenementen, zochten de onderzoekers naar tekenen van deze specifieke donkere materie objecten. Ze vonden dat objecten met de massa die zij hadden berekend een aantal lensing-events zouden produceren dat consistent is met observationele limieten, terwijl veel lichtere versies van deze objecten veel te veel helderheidsevenementen zouden creëren, wat de existentie van die kleinere kandidaten effectief uitsluit.

Nadat zij hadden vastgesteld dat deze objecten plausibel binnen de huidige beperkingen zouden kunnen bestaan, onderzocht het team wat er zou gebeuren als ze door wolken van gewone gas en stof zouden drijven. Terwijl een compact donkere materie object door de ruimte beweegt, zou de zwaartekracht ervan omringend waterstof en helium aantrekken, waardoor het gas opwarmt en gaat gloeien. De onderzoekers berekenden de temperatuur en energie van dit gloeiende gas en vonden dat het temperaturen van meer dan 100 miljard graden zou bereiken. Ondanks deze extreme temperaturen zou het licht dat door het gas wordt uitgezonden pieken op energieën die veel lager liggen dan nodig is om een specifiek astronomisch raadsel te verklaren dat bekend staat als de Galactic Center GeV excess. Deze excess is een onverwachte overmaat aan hoogenergetische gammastraling afkomstig van het centrum van ons sterrenstelsel, die sommige wetenschappers hoopten dat veroorzaakt zou worden door botsende en annihilerende donkere materie deeltjes. De studie toont aan dat de energieburst van deze compacte donkere materie objecten te zwak en te laag in energie is om de bron van dat signaal te zijn, wat suggereert dat dit specifieke mysterie elders moet worden opgelost.

Hoewel deze objecten de gamma-straal excess niet kunnen verklaren, vonden de onderzoekers een andere, subtielere mogelijkheid. Ze overwoogden het idee dat deze compacte donkere materie kernen misschien niet uit pure donkere materie bestaan, maar in plaats daarvan gemengd zouden kunnen zijn met gewone baryonische materie, het spul waar sterren en planeten uit bestaan. Als een dergelijke mengeling zou ontstaan, zou het object zwaarder en groter zijn dan een pure donkere materie klomp. Het team berekende dat als deze gemengde objecten bestaan, ze een aanzienlijk deel van de "ontbrekende baryonen" zouden kunnen verklaren — de gewone materie waarvan kosmologen weten dat deze er zou moeten zijn, maar die nog niet in het lokale universum zijn gedetecteerd. Afhankelijk van hoeveel gewone materie erin gemengd is, zouden deze objecten potentieel tussen de 10 en 90 procent van de ontbrekende massa kunnen verklaren. De auteurs merken echter voorzichtig op dat dit een theoretische mogelijkheid is en geen bevestigde oplossing. Ze hebben nog niet bepaald welk fysiek proces zou toestaan dat donkere materie en gewone materie mengen en deze stabiele, planeetachtige lichamen vormen. Voor nu dient het werk als een sterke beperking op wat deze donkere materie objecten kunnen zijn, waarbij het sommige ideeën uitsluit terwijl het een stille, plausibele nieuwe thuis biedt voor de ontbrekende gewone materie van het kosmos.