Weighing dark matter particles with gravitational waves

Al decennia weten astronomen dat het universum gevuld is met een mysterieuze substantie genaamd donkere materie. Het zendt geen licht uit en reflecteert het ook niet, waardoor het onzichtbaar is voor elke telescoop die ooit is gebouwd. We weten alleen dat het bestaat vanwege de zwaartekracht; het fungeert als een kosmische lijm die sterrenstelsels bij elkaar houdt en het pad van het licht van verre sterren afbuigt. Ondanks dit overweldigende bewijs blijft de ware aard van donkere materie een van de grootste onopgeloste vragen in de natuurkunde. Bestaat het uit zware, langzaam bewegende deeltjes, of is het samengesteld uit ongelooflijk lichte, golfachtige entiteiten? Hoewel wetenschappers naar donkere materie hebben gezocht door te zoeken naar botsingen met gewone atomen, zijn die inspanningen zonder resultaat gebleven. Dit heeft ertoe geleid dat onderzoekers een andere aanpak overwegen: luisteren naar het universum in plaats van ernaar kijken, door gebruik te maken van de rimpelingen in de ruimtetijd, bekend als zwaartekrachtgolven, om de microscopische eigenschappen van deze onzichtbare substantie te onderzoeken.

Een nieuwe studie suggereert dat een specifiek type kosmisch evenement ons eindelijk zou kunnen laten wegen wat de deeltjes van de donkere materie wegen. De onderzoekers richtten zich op extreme-massaverhouding-inspirals, een dramatisch kosmisch scenario waarbij een klein, compact object, zoals een zwart gat ter grootte van een ster, langzaam in een veel groter, supermassief zwart gat spiraliseert. Terwijl het kleinere object rond het reusachtige object draait, zendt het zwaartekrachtgolven uit die de ruimtetijd uitrekken en samendrukken. In een perfect vacuüm zouden deze golven een voorspelbaar patroon volgen. Echter, als het supermassieve zwarte gat wordt omringd door een dichte wolk van donkere materie, interageert het kleinere begeleidende object met deze wolk terwijl het beweegt. Deze interacties creëren een subtiele weerstand, die het ritme van de baan lichtjes verandert en een unieke vingerafdruk achterlaat op de zwaartekrachtgolven.

Het team, onder leiding van Rodrigo Vicente en collega's van de Universiteit van Amsterdam en het Albert Einstein Instituut, realiseerde zich dat het enorme verschil in grootte tussen de twee zwarte gaten een unieke kans biedt. Het supermassieve zwarte gat is zo groot dat de donkere materie eromheen zich gedraagt als een zwerm individuele, niet-botsende deeltjes. Toch is het kleinere begeleidende object precies de juiste omvang om met de donkere materie te interageren alsof het een golf is. Deze golfachtige interactie hangt direct samen met de massa van de deeltjes van de donkere materie. Als de deeltjes extreem licht zijn, zijn de golfeffecten sterk; als ze zwaarder zijn, verzwakken de effecten. Door nauwkeurig te analyseren hoe de donkere materie het inspiralerende begeleidende object vertraagt, ontdekten de onderzoekers dat zij de massa van de deeltjes van de donkere materie zelf konden afleiden.

Om dit idee te testen, gebruikten de wetenschappers computersimulaties om te modelleren wat een detector van zwaartekrachtgolven, de Laser Interferometer Space Antenna, of LISA, zou zien. LISA is een geplande ruimtegebaseerde observator die is ontworpen om te luisteren naar deze laagfrequente rimpelingen. De onderzoekers simuleerden het signaal van een klein zwart gat dat in een supermassief zwart gat spiraliseert, ingebed in een dichte piek van donkere materie. Vervolgens voedden ze deze gesimuleerde signalen in een statistisch analyse-instrument om te zien of de detector de invloed van de donkere materie kon onderscheiden van de natuurlijke eigenschappen van de zwarte gaten. Hun resultaten toonden aan dat voor zwarte gaten aan de onderkant van het massabereik dat LISA zal observeren, de detector de massa van ultralichte deeltjes van donkere materie met verrassende precisie kan meten.

De studie vond dat als de deeltjes van de donkere materie een massa hebben tussen 10⁻¹⁴ en 10⁻¹¹ elektronvolt, LISA hun gewicht tot binnen een factor tien kan bepalen. Dit bereik omvat deeltjes die miljarden malen lichter zijn dan een elektron. Het vermogen om te meten hangt sterk af van hoe dicht de spike van donkere materie rond het supermassieve zwarte gat is. In scenario's waarin de donkere materie zeer dicht is, is het signaal sterk genoeg om de deeltjesmassa duidelijk te onthullen. Zelfs in gevallen waarin de massa te licht of te zwaar is om nauwkeurig gemeten te worden, laat de aanwezigheid van de spike van donkere materie zelf een detecteerbaar spoor achter, waardoor wetenschappers de dichtheid van de onzichtbare wolk in kaart kunnen brengen.

Deze aanpak biedt een manier om meer te leren over de microscopische bouwstenen van het universum zonder dat er een deeltje in een laboratorium gevangen hoeft te worden. De onderzoekers merkten op dat het succes van deze methode afhangt van het feit dat de donkere materie een steile, dichte spike rond het zwarte gat vormt, een structuur die kan ontstaan terwijl het zwarte gat over miljarden jaren groeit. Hoewel het voortbestaan van een dergelijke spike afhangt van de geschiedenis van het sterrenstelsel en of andere zwarte gaten het hebben verstoord, suggereren de simulaties dat veel systemen genoeg dichtheid zullen behouden om zichtbaar te zijn voor LISA. De studie beweert niet dat er donkere materie is gevonden, maar biedt een concreet stappenplan voor hoe toekomstige waarnemingen van zwaartekrachtgolven eindelijk de onzichtbare substantie die ons kosmos vormgeeft, kunnen wegen.