14 mei 2021

Astronomen willen exoplaneten inzetten als ‘natuurlijke’ donkere materie detectoren

Een team astronomen van de Amerikaanse Cornell Universiteit, Ithaca (NY), heeft recentelijk een gedurfd nieuw plan bepleit om donkere materie op te sporen. Zij stellen voor om exoplaneten, waarvan er meer en meer geïdentificeerd worden, te gebruiken als ‘natuurlijke’ donkere materie detectoren. De onderzoekers geven met dit DM-onderzoek een eigen bijzondere draai aan de zoektocht naar buitenaards leven op exoplaneten. Exoplaneten worden in een steeds sneller tempo ontdekt met behulp van NASA’s Kepler en TESS, en alleen al in de Melkweg verwacht men dat er miljarden tot wel een biljoen exemplaren zijn. En volgens het Cornell Team zouden deze exoplaneten als DM detectoren kunnen dienen. DM is de, tot op heden onzichtbare kandidaat-ingrediënt, die fungeert als ‘lijm’ die sterren, stof en gas in sterrenstelsels bij elkaar houdt. Daar om waarnemingen zoals de rotatie van sterrenstelsels te verklaren, moet het heelal wel een verborgen ingrediënt hebben. Sterclusters, de meest massarijke structuren in het heelal, zijn de grootste opslagplaatsen van DM. M.b.v. geavanceerde computersimulaties hebben astronomen al gezien dat donkere materie zich in de richting van de centra van sterrenstelsels beweegt. En het is deze theoretische verschuiving in dichtheid die astronomen zou moeten helpen bij het identificeren van donkere materie. Het 26 pagina’s tellende wetenschappelijk artikel van het team, Rebecca K. Leane en Juri Smirnov,* over de inzet van exoplaneten als DM-detectoren, is recent geplaats in arXiv.*

Artistieke impressie van NASA’s Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).
Credits: NASA

Donkere materie, twee criteria
Donkere materie is weliswaar niet direct te zien, daar DM niet reageert met gewone materie via de sterke of electromagnetische wisselwerking, maar vanwege z’n zwaartekrachteffecten op objecten die wel direct kunnen worden geobserveerd, is DM wel indirect waarneembaar.
Indirecte observationele bewijzen voor het bestaan van DM zijn onder meer zwaartekrachtlenzen, en de vlakke rotatiecurves van sterrenstelsels. DM heeft hoogstwaarschijnlijk zelden interactie met normale materie, of zelfs met zichzelf. Als DM wel interactie heeft, zal het een interactie inhouden waarbij de zwakke kernkracht betrokken is – een fundamentele kracht die ten grondslag ligt aan sommige vormen van radioactiviteit. Bij botsingen tussen een donker materiedeeltje en een ‘normaal’ deeltje glijden ze langs elkaar heen zonder interactie. Donkere materie en gewone materie zouden echter heel af en toe op elkaar moeten inwerken, waardoor het donkere materiedeeltje een deel van zijn energie kan doorgeven aan het normale materiedeeltje, waardoor de donkere materie wordt vertraagd. Zulke zeldzame interacties komen vooral veel voor als er zich twee fenomenen voordoen; een bijzonder dichte concentratie van normale materie fungeert als een zwaartekrachtval voor donkere materie, én als er veel donkere materie in het kosmisch gebied aanwezig is. Het team stelt dat aan beide criteria waarschijnlijk kan worden voldaan wanneer exoplaneten de kern van de Melkweg naderen.

DM en temperatuurstijging exoplaneten
De dichtheid van DM in die regionen, nabij de kern van de Melkweg, is veel hoger dan in andere delen van het zonnestelsel, en grote exoplaneten (bijvoorbeeld met ten minste de afmeting van Jupiter) zouden DM-deeltjes in hun kernen kunnen verzamelen vanwege hun extreme sterke zwaartekracht. De DM-deeltjes kunnen af en toe met zichzelf interageren en elkaar vernietigen in een energetische flits. Deze energie zou veel te zwak zijn om direct waar te nemen, maar in de loop van miljarden jaren zouden de flitsen van talloze interacties een extra warmtebron van de exoplaneet kunnen vormen. Het eindresultaat, volgens het onderzoek: planeten dichter bij het centrum van de Melkweg kunnen een aanzienlijke opwarming ervaren door DM, waardoor hun temperatuur met duizenden graden stijgt. Om dit te testen, moet de temperatuur van veel exoplaneten worden gemeten. Dit is  precies waarvoor missies zoals de James Webb Space Telescope (JWST), die in oktober 2021 naar de ruimte zal worden gelanceerd, expliciet zijn ontworpen. De onderzoekers merkten op dat de JWST net voldoende gevoeligheid heeft (zowel voor wat betreft temperatuurregistratie van exoplaneten als bij het zoeken in de nabijheid van hun galactisch centrum) om, mocht dit DM effect zich daadwerkelijk voordoen, men in staat zou moeten zijn om een duidelijke en merkbare opwarming van de exoplaneet te kunnen waarnemen. En mocht deze theorie correct zijn, dan zou dit tevens de eerste niet-gravitatiedetectie van donkere materie zijn die ooit is waargenomen. Het vinden van buitenaards leven op zo een exoplaneet is uiteraard direct mooi meegenomen, hetzij als bonus hetzij als kers op de taart. Bron: LiveScience

*https://arxiv.org/abs/2010.00015

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.