De zwaartekrachtlens rondom HS 0810+2554. Credit: Hubble Space Telescope / NASA / ESA
Einstein voorspelde het al meer dan honderd jaar geleden op grond van z’n Algemene Relativiteitstheorie uit 1915: de ruimte kan door zware massa’s worden gekromd en dat zorgt er dan voor dat banen van licht welke de ruimte passeren ook worden afgebogen. Zo ontstaan zwaartekrachtlenzen, als licht van bijvoorbeeld ver verwijderde sterrenstelsels wordt afgebogen door een cluster van sterrenstelsels op de voorgrond. Je krijgt dan boogjes van licht rondom de cluster en soms is de uitlijning aarde-lenscluster-achtergrondstelsel zo perfect dat er zelfs een complete ring ontstaat, een zogeheten Einsteinring. Dergelijke Einsteinringen zijn nu gebruikt door Alfred Amruth (Universiteit van Hongkong) en zijn collega’s om meer te weten te komen over de aard van donkere materie, de mysterieuze substantie die zo’n 85% uitmaakt van alle materie in het heelal, zonder dat we er iets van kunnen zien, behalve dan vele zwaartekrachteffecten.
Credit: David Harvey/Universiteit van Leiden
Hierboven zie je hoe zo’n zwaartekrachtlens werkt. Als de zwaartekrachtlens niet helemaal in het midden staat, kan het zijn dat één route van het licht van het achtergrondstelsel langer onderweg is dan een andere route. En dat is bijvoorbeeld het geval bij HS 0810+2554, een systeem waarbij de ring van het achtergrondstelsel – een quasar om precies te zijn – tot meerdere beeldjes is vervormd. De massa van het ‘lensstelsel’ in het midden (tussen aarde en achtergrondstelsel) zorgt voor die vermenigvuldiging van beeldjes en het is de combinatie van gewone materie én donkere materie welke die massa vormt.
Diverse zwaartekrachtlenzen van quasars, waaronder HS 0810+2554, waargenomen door Hubble. Credits: NASA, ESA, A. Nierenberg (JPL), and T. Treu and D. Gilman (UCLA)
De grote vraag waar sterrenkundigen en natuurkundigen al decennia mee bezig zijn is wat donkere materie nou precies is. Grofweg zijn er twee theorieën: de een zegt dat het WIMP’s zijn, ‘weakly interactive massive particles‘, zware, traag bewegende deeltjes die niet reageren met gewone deeltjes, de andere theorie zegt dat het axionen zijn, zeer lichte, snel bewegende deeltjes, een soort bosonen, ook niet reagerend op gewone materie. WIMP’s zouden zich gedragen als deeltjes, terwijl axionen meer op golven lijken, die het gevolg zijn van kwantuminterferentie.
Specifically, the researchers looked at lensed images of HS 0810+2554, a distant quasar, and found the presence of wave-like dark matter.
Dark matter makes up about 27% of the universe.
Dark energy makes up about 68% of the universe. #Einstein https://t.co/lHEIGSa5Pv— Mason Rothman (@masonrothman) April 20, 2023
Amruth en z’n team hebben nu geprobeerd om te kijken of je met behulp van Einsteinringen, zoals van HS 0810+2554, onderscheid kunt maken tussen de twee soorten donkere materie, tussen WIMP’s en axionen. Met gedetailleerde modellen hebben ze gekeken welke effecten zouden optreden als het licht langs een sterrenstelsel passeert met WIMP’s en axionen als donkere materie. De uitkomst is dat als donkere materie bestaat uit WIMP’s de Einsteinringen er niet uit zien zoals waargenomen, terwijl dat bij axionen wel het geval is. De uitkomsten slaten aan bij die van andere onderzoeken, die ook uitwijzen dat axionen een betere kandidaat zijn voor donkere materie dan WIMP’s.
Meer informatie vind je in het vakartikel van Alfred Amruth et al, Einstein rings modulated by wavelike dark matter from anomalies in gravitationally lensed images, Nature Astronomy (2023).
Bron: Phys.org.
