22 oktober 2017

Gamma-achtergrondstraling bevat geen spoor van donkere materie

Kaart met de emissie van gammastraling. De band van de Melkweg is grijs gemaakt. Credit: Mattia Fornasa, UvA/Grappa

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam hebben de meest nauwkeurige analyse uitgevoerd van de gamma-achtergrondstraling in het heelal. Daaruit volgt dat deze achtergrondstraling van twee verschillende brontypes afkomstig moet zijn. De onderzoekers zagen geen aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie in de gamma-achtergrondstraling.

Gammastraling, de meest energierijke straling in het heelal, bestaat uit fotonen of lichtdeeltjes met zeer hoge energieën. Voor het menselijk oog zijn deze gammafotonen onzichtbaar. Gammastraling is voor een groot deel afkomstig van blazars: superzware zwarte gaten die zich schuilhouden in het centrum van sterrenstelsels. Ook pulsars – zeer snel ronddraaiende neutronensterren – en supernova-explosies zijn bekende bronnen van gammastraling in het heelal.

In 2008 lanceerde NASA de Fermi-satelliet (zie afbeelding hieronder) om alle gammastraling in het heelal in kaart te brengen. Het hoofdinstrument van deze satelliet, de Large Area Telescoop, maakt elke drie uur een volledige scan van de hemel. De meeste gammastraling blijkt afkomstig van onze eigen Melkweg. Daarnaast heeft de Fermi-telescoop meer dan 3000 bronnen van gammastraling buiten de Melkweg ontdekt, zoals eerdergenoemde blazars, pulsars en supernova’s. Het grootste deel van de gammastraling buiten de Melkweg is echter van onbekende oorsprong: maar liefst driekwart is niet te herleiden tot een precieze bron.

Diffuse gamma-achtergrondstraling

Deze diffuse achtergrondstraling van gammafotonen komt van alle kanten uit het universum op ons af. Als onze ogen gevoelig waren voor gammalicht, zou er geen enkele plek aan de hemel zijn die donker was.

De bron van deze zogeheten gamma-achtergrondstraling is onbekend. De straling kan afkomstig zijn van objecten die te klein zijn om afzonderlijk met de Fermi-telescoop te worden waargenomen. Een deel zou ook kunnen wijzen op het bestaan van donkere-materiedeeltjes; illustere deeltjes die verantwoordelijk zouden zijn voor 80% van de massa in ons heelal, maar die nog nooit zijn waargenomen. Als twee van zulke hypothetische deeltjes op elkaar botsen, annihileren ze elkaar en laten een karakteristiek spoor van gammastraling achter.

Fluctuaties

Samen met een internationaal team van onderzoekers heeft theoretisch natuurkundige Mattia Fornasa de meest  uitgebreide analyse tot nu toe gemaakt van de gamma-achtergrondstraling in het heelal. Het team maakte daarbij gebruik van meetgegevens die in 81 maanden – vier keer langer dan bij een vorige analyse – zijn verzameld met de Fermi Large Area Telescoop. De metingen bestrijken bovendien een groter energiegebied dan bij voorgaande studies kon worden gebruikt.

De onderzoekers bestudeerden de variaties in de intensiteit van de gamma-achtergrondstraling. Op grond daarvan konden ze onderscheid maken tussen twee verschillende soorten bijdrages aan de achtergrondstraling. Variaties in de intensiteit met lage energie (tot 1 giga-elektronvolt), en variaties in de intensiteit met hogere energie blijken elk een eigen karakteristieke vingerafdruk in de meetgegevens te hebben.

In hun wetenschappelijke artikel dat deze week verschenen is in het tijdschrift Physical Review D schrijven de onderzoekers dat de hoogenergetische fluctuaties vermoedelijk afkomstig zijn van superzware zwarte gaten die evenwel te klein zijn om afzonderlijk met de Fermi telescoop te worden waargenomen.

Het blijkt echter een stuk moeilijker om de oorsprong van de fluctuaties bij lage energie te bepalen. Geen van de tot nog toe bekende gamma-stralingsbronnen gedraagt zich op een manier die in overeenstemming is met de nieuwe analyse van de gamma-achtergrondstraling in het heelal.

Geen sporen donkere materie

Met de Fermi telescoop zijn tot nu toe geen sporen gevonden van donkere materie. Het onderzoek van Fornasa brengt daar geen verandering in. Hoofdauteur Mattia Fornasa: ‘Onze metingen zijn onderdeel van een grotere zoektocht naar sporen van donkere materie in gammastraling. Ons onderzoek laat zien dat er geen aanwijzingen zijn voor het bestaan van donkere materie in de gamma-achtergrondstraling.” Bron: UvA.

Reacties

  1. Misschien is die “donkere” materie dan toch gewone (geclusterde) waterstof. Als de concentratie intergalactische waterstof is gebaseerd op 21 cm emissie, dan is onderstaand artikel van deze maand wel erg interessant. Het artikel geeft aan dat waterstof bij lage temperaturen zich kan clusteren en dus onzichtbaar zou kunnen zijn in de 21 cm waarnemingen.
    zie: http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.117.273001
    De berekening kwam ik tegen in dit artikel uit 1964, op zoek naar de verdwenen massa..
    http://adsabs.harvard.edu/full/1964ApJ…140.1002F

  2. Gelukkig nieuwjaar!
    Ik ga de champagnefles eens open trekken!

  3. Hier een artikel waar het EAGLE simulatie programma “Evolution and
    Assembly of GaLaxies and their Environments” aan het werk wordt gezet inclusief de benodigde DM om het “rond” te krijgen. Het zou handig zijn de DM eens te vervangen door gewone Barionische massa zoals H2 die we feitelijk niet direct kunnen waarnemen (DM dus) en wellicht foutief afleiden uit CO concentraties.
    https://arxiv.org/pdf/1503.04807v2.pdf

  4. Geachte heer Nico,

    Ben benieuwd naar dat artikel uit 1964;
    zie Uw post van 31 December 2016 0:05 uur;

    de opgegeven link is door de astroblogs-website ingekort en daardoor onbruikbaar.

    TIP: laat “http://” weg, dan komt de rest van het webadres als gewone tekst – niet ingekort – in Uw post. Vertel erbij dat er “http://” voor gezet moet worden.
    Bijvoorbaat dank! – Johan E. Mebius

  5. Ik doe het wat simpeler: googelen gaat sneller…hij staat direct bovenaan met de titel als input.
    Op pag 1 wordt al melding gedaan dat men toen uit de 21 cm emissie de concentratie vrije waterstof berekende.
    Ik kwam op dit artikel vanwege de röntgen emissie die tegenwoordig wordt aangezien voor de aanwezigheid van donkere materie.
    title: Free-Free Emission by Intergalactic Hydrogen.
    Authors: Field, G. B. & Henry, R. C.
    Journal: Astrophysical Journal, vol. 140, p.1002
    Bibliographic Code: 1964ApJ…140.1002F
    Ik vond nog een aardige: https://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept04/Wright/paper.pdf
    MAPPING NEUTRAL HYDROGEN IN EXTERNALGALAXIES
    Melvyn C. H. Wright
    Ik verwacht dat er op een gegeven moment geen DM meer nodig is 🙂

  6. Geachte heer Nico, nogmaals harteijk bedankt – ik vond dit artikel op het volgende webadres:

    articles.adsabs.harvard.edu//full/1964ApJ…140.1002F/0001002.000.html –

    voorafgegaan door “http://”.
    Volg aldaar “Print this page”; je krijgt dan een pop-up (*) om het gehele artikel (11 pagina’s) te openen dan wel op te slaan op de eigen computer.

    (*) ik gebruik Firefox; onder Microsoft IE zal wel iets dergelijks gebeuren.

Laat wat van je horen

*