Compact Dark Matter with Globular Cluster Pulsars

Donkere materie is de onzichtbare substantie die het grootste deel van de massa van het universum vormt, maar we hebben nog nooit een enkel deeltje ervan gezien. Hoewel we weten dat het bestaat omdat de zwaartekracht ervan sterrenstelsels bij elkaar houdt, blijft de ware aard ervan een van de grootste mysteries van de natuurkunde. Eén leidende idee suggereert dat een deel van deze donkere materie misschien niet bestaat uit kleine, spookachtige deeltjes, maar uit compacte, zware objecten zoals primordiale zwarte gaten of dichte klonten materie die kort na de oerknal zijn gevormd. Als deze objecten bestaan, zouden ze door de ruimte zweven, onzichtbaar voor telescopen, maar hun zwaartekracht zou nog steeds alles beïnvloeden dat er vlak langs passeert. Om hen te vinden, hebben wetenschappers een manier nodig om hun zwaartekracht te detecteren zonder hen direct te zien, door te zoeken naar de subtiele rimpelingen die ze creëren in de structuur van ruimte en tijd.

Een team van onderzoekers heeft een nieuwe methode voorgesteld om deze ongrijpbare objecten op te sporen met behulp van de meest precieze klokken in het universum: pulsars. Dit zijn de ingestorte kernen van dode sterren die snel ronddraaien en radiogolven naar de aarde uitzenden met de regelmaat van een vuurtoren. Omdat ze zo constant zijn, kan zelfs de kleinste verstoring in hun signaal de aanwezigheid van een passerend object onthullen. Wanneer een compact object van donkere materie dicht bij de gezichtslijn tussen de aarde en een pulsar beweegt, vertraagt de zwaartekracht de radiogolven lichtjes, waardoor de pulsen een klein beetje later aankomen dan verwacht. Deze vertraging, bekend als het Shapiro-effect, fungeert als een handtekening dat een massief object het pad heeft gekruist. De onderzoekers realiseerden zich dat door naar een specifieke groep pulsars te kijken die zich in een dichte sterrencluster diep in ons sterrenstelsel bevindt, zij hun kansen om zo'n gebeurtenis te vangen drastisch konden verbeteren.

De studie richt zich op een bolvormige sterrenhoop genaamd Terzan 5, een compacte bal van sterren die zich ongeveer 6.600 lichtjaar verderop in de richting van het centrum van de Melkweg bevindt. Deze cluster is uniek omdat het een ongewoon hoog aantal pulsars bevat — er zijn tot nu toe 49 geïdentificeerd — die samengeperst zijn in een zeer klein gebied in de ruimte. De onderzoekers berekenden dat kijken naar het binnenste deel van het sterrenstelsel betekent dat men door een veel dikkere kolom van donkere materie kijkt dan wanneer men naar de pulsars kijkt die gewoonlijk voor andere studies worden gebruikt, die dichter bij de aarde staan. Door alle 49 pulsars in Terzan 5 tegelijkertijd met één enkele telescoopstraal te observeren, kunnen astronomen effectief tientallen verschillende paden door deze dichte wolk van donkere materie tegelijkertijd monitoren. Deze aanpak verandert de cluster in een uiterst efficiënte detector, waarbij het grote aantal gezichtslijnen de waarschijnlijkheid vergroot om een donker object voorbij te zien komen.

De zoektocht wordt echter geconfronteerd met twee belangrijke hindernissen. Ten eerste zijn de pulsars in Terzan 5 zwak, en de huidige telescopen produceren gegevens met een niveau van ruis dat het moeilijk maakt om een signaal van donkere materie te onderscheiden van willekeurige fouten. Ten tweede wordt het hele sterrenstelsel momenteel geschud door een zwakke, laagfrequente brom van zwaartekrachtgolven, een achtergrondruis die alle pulsars in de cluster bijna identiek beïnvloedt. Deze achtergrond zou het signaal van een passerend donker object gemakkelijk kunnen maskeren. De onderzoekers vonden een slimme oplossing voor het tweede probleem: omdat de achtergrond van zwaartekrachtgolven elke pulsar in de cluster op dezelfde manier beïnvloedt, terwijl een passerend donker object slechts de pulsen van één enkele gezichtslijn zou vertragen, kunnen wetenschappers de gemeenschappelijke achtergrondruis wiskundig aftrekken. Dit stelt hen in staat om het unieke signaal van een passerend object te isoleren, waardoor de gevoeligheid wordt hersteld die anders verloren zou gaan.

Om er zeker van te zijn dat hun resultaten niet worden verward met gewone materie, hebben de onderzoekers ook de "ruis" berekend die wordt veroorzaakt door sterren en stellaire resten, zoals witte dwergen en neutronensterren, die in de cluster en langs het pad naar de aarde aanwezig zijn. Deze normale sterren produceren exact dezelfde zwaartekrachtsvertraging als een donker object van dezelfde massa. De onderzoekers stelden vast dat hoewel er veel meer sterren zijn dan kandidaten voor donkere materie, de sterren veel langzamer bewegen ten opzichte van de pulsars dan de donkere materie zou doen. Deze lagere snelheid betekent dat ze de gezichtslijn veel minder vaak kruisen, waardoor ze een beheersbare achtergrond vormen in plaats van een overweldigend obstakel. Hun berekeningen tonen aan dat voor het massabereik dat de studie target, het signaal van donkere materie duidelijk boven de stellaire voorgrond zou uitsteken.

Kijkend naar de toekomst, projecteert de studie wat bereikt zou kunnen worden met de volgende generatie radiotelescopen, specifiek de Square Kilometre Array. Als astronomen Terzan 5 veertig jaar lang zouden observeren, waarbij ze elke week één keer vier uur lang naar de cluster kijken, zouden ze compacte objecten van donkere materie kunnen detecteren die slechts 6% van de totale donkere materie in het universum uitmaken, mits die objecten een massa hebben van ongeveer 0,02 keer die van onze zon. Met de huidige technologie is de zoektocht nog niet gevoelig genoeg om deze objecten uit te sluiten, maar de geplande upgrades van de telescoopsensitiviteit zouden de ruis voldoende verlagen om deze detectie mogelijk te maken. Dit werk suggtioneert dat door ons te richten op het drukke, donkere hart van ons sterrenstelsel en gebruik te maken van de collectieve kracht van vele pulsars, we de onzichtbare componenten van ons universum eindelijk in gewicht kunnen schatten.