Afgelopen oktober, toen de James Webb Ruimtetelescoop zijn eerste lange belichtingen van de hemel nabij het sterrenbeeld Eridanus naar beneden straalde, begonnen astronomen het verhaal samen te stellen van een zwak, flikkerend lichtpuntje dat uit de diepste uithoeken van het universum leek te komen.

Wat het ook was, het glinsterde te lang om een ​​supernova te zijn; ook een enkele ster was van tafel. "Het voelt alsof je waarschijnlijk in een van deze CSI-films zit, dat je een detective bent", zei hij José Maria Diego, een astrofysicus aan het Instituut voor Natuurkunde van Cantabrië in Spanje die werkte aan het ontcijferen van het signaal. “Je hebt veel verdachten op tafel en je moet [ze] één voor één elimineren.”

Diego en zijn collega's meldden onlangs dat het zwakke lichtvlekje vandaan lijkt te komen een extreem sterrensysteem ze noemden Mothra – een paar superreuzensterren die in hun hoogtijdagen, ruim 10 miljard jaar geleden, bijna al het andere in hun sterrenstelsel overtroffen.

In die tijd was het hele universum jonger dan de aarde nu; onze planeet begon pas samen te smelten nadat de Mothra-fotonen halverwege hun kosmische reis naar een wereld waren die net op tijd een gigantische infraroodgevoelige ruimtetelescoop zou ontwikkelen om hun licht op te vangen. Het detecteren van licht dat door individuele sterrenstelsels wordt uitgezonden, was lang geleden onmogelijk. Maar Mothra, vernoemd naar een Kaiju-monster geïnspireerd door zijden motten, is slechts de laatste in een recente reeks van oudste en verste ooit, over het algemeen overtreffende trap ooit, die astronomen hebben gevonden in afbeeldingen van JWST en de Hubble-ruimtetelescoop. En hoewel Mothra en zijn beestachtige broeders op zichzelf intrigerende astrofysische objecten zijn, is Diego het meest opgewonden dat het licht van de monstersterren een heel andere klasse van objecten lijkt te onthullen die tussen hem en de aarde zweven: een anders onzichtbare Een kluit donkere materie waarvan hij en zijn collega's hebben berekend dat deze tussen de 10,000 en 2.5 miljoen keer de massa van de zon weegt.

Als een dergelijk object echt bestaat – een voorlopige conclusie voor nu – zou het natuurkundigen kunnen helpen hun theorieën over donkere materie te verfijnen en misschien, heel misschien, het mysterie van de onverklaarde massa van het universum op te lossen.

Vanaf 2023 zijn de laboratoriuminspanningen om individuele donkere materiedeeltjes te traceren op niets uitgelopen, waardoor sommige astrofysici het grimmig pragmatische vermoeden hebben dat de enige manier waarop mensen de mysterieuze substantie kunnen meten met een remklauw, zou kunnen zijn door de zwaartekrachteffecten ervan op het bredere universum te bestuderen. Dus Diego's team en anderen zijn op zoek naar de spookachtige contouren van donkere objecten in de kosmos. Ze hopen de kleinste klontjes donkere materie die er bestaan ​​te identificeren – wat op zijn beurt afhangt van de basisfysica van het donkere materiedeeltje zelf. Maar brokken pure donkere materie presenteren zich niet alleen aan astronomen; teams gebruiken observatietrucs om dergelijke schaduwen uit schaduwen te lokken. Nu concentreren astronomen zich op kosmische verschijnselen, variërend van zwaartekrachtlenzen die de ruimte vervormen – het soort onzichtbare, door donkere materie gedomineerde vergrootglas dat Mothra onthulde – tot fladderende, lintachtige sterrenstromen veel dichter bij huis. Tot nu toe hebben deze inspanningen veel varianten uitgesloten van een populaire reeks modellen die ‘warme donkere materie’ wordt genoemd.

"Je kunt donkere materie niet aanraken", zei hij Anna Nierenberg, een astrofysicus aan de Universiteit van Californië, Merced, die met JWST op zoek is naar donkere interstellaire klodders. Maar het vinden van kleine structuren die ervan zijn gemaakt? ‘Dat is het dichtste bij wat je zou kunnen krijgen.’

Halo, halo, halo

Het weinige dat we weten over donkere materie bestaat uit vage, wazige contouren. Tientallen jaren aan bewijs heeft gesuggereerd dat theorieën over de zwaartekracht onvolledig zijn, of, zoals astrofysici vaker beweren, dat er een deeltje van donkere materie in het universum rondspookt. In één klassieke waarneming leken sterren langs de randen van sterrenstelsels te racen alsof ze in een veel sterkere zwaartekrachtsgreep zaten dan zichtbare materie zou suggereren. Door de bewegingen van deze sterren te meten en andere technieken toe te passen die gebieden in de ruimte met extra gewicht identificeren, kunnen astronomen visualiseren hoe de donkere materie in het universum op grotere schaal is verdeeld.

“Als we een bril voor donkere materie hadden,” zei Nierenberg, zouden we rond elk sterrenstelsel waarschijnlijk “een grote, vage, uitgestrekte, watermeloenvormige structuur zien die veel groter is dan het sterrenstelsel zelf.” Voor onze eigen Melkweg schatten astronomen dat deze diffuse, donkere cocon – een halo genoemd – ongeveer een biljoen zonsmassa's weegt en meer dan tien keer breder is dan de spiraalvormige schijf van sterren in het sterrenstelsel.

Als je echter inzoomt op kleinere schalen, valt de wetenschappelijke zekerheid weg. Is de halo van donkere materie in de Melkweg een gladde schmear? Of is het gerangschikt in bosjes, sub-halo's genoemd? En zo ja, welke maten zijn die klontjes?

De antwoorden zouden wetenschappers in staat kunnen stellen de ware aard van donkere materie te identificeren. Modellen van hoe het universum zijn huidige structuur heeft ontwikkeld – een kosmisch web, geweven door parelmoerachtige strengen van sterrenstelsels – voorspellen dat donkere materiedeeltjes, wat ze ook zijn, zich gedurende de eerste paar honderdduizend jaar na de oerknal hebben verzameld in kleine, door zwaartekracht gebonden klonten. Veel van die klonten smolten samen en trokken uiteindelijk zichtbare materie naar zich toe. Die groeiden uit tot de zaden van sterrenstelsels. Maar sommige van de kleinste donkere halo’s die niet zijn samengesmolten, zouden nog steeds moeten bestaan ​​als ‘overblijfselen van structuurvorming in het vroege heelal’, aldus de onderzoekers. Ethan Nadler, een astrofysicus bij de Carnegie Observatories en de University of Southern California. “Een soort tijdmachine.”

Het vinden en wegen van deze relikwieklonten zou natuurkundigen helpen hun greep op de fundamentele fysica van donkere materie te versterken – inclusief de massa van het mysterieuze deeltje en zijn ‘temperatuur’, een enigszins misleidende term die de snelheid beschrijft waarmee wolken van individuele deeltjes rondzwerven.

Een van de belangrijkste verdachten in het mysterie van de donkere materie is koude donkere materie, een klasse modellen waarin de boosdoeners relatief zware en trage deeltjes zijn; een voorbeeld is een zwak interactief massief deeltje, of WIMP. Als deze theorieën kloppen, zouden dergelijke deeltjes zich in het vroege heelal gemakkelijk hebben kunnen nestelen in zelfaantrekkende klonten, waarvan sommige misschien wel zo klein waren als de massa van de aarde. Tegenwoordig zouden deze aanhoudende mini-halo’s van donkere materie nog steeds rondzwerven in en rond de grotere collectieve halo van sterrenstelsels zoals de Melkweg.

Maar als lichtere donkere materiedeeltjes sneller door de vroege kosmos zouden vliegen, zoals een concurrerende klasse van ‘warme’ donkere materiemodellen suggereert, hadden zich alleen grotere klonten met een grotere zwaartekracht kunnen vormen. Deze modellen suggereren dat er een grens is voor donkere materiestructuren, een minimale massa waaronder geen halo's bestaan. Dus telkens wanneer iemand een nieuwe, kleinste bekende donkere halo ontdekt (zoals de vermeende tussen de aarde en Mothra), worden theoretici gedwongen steeds coolere scenario’s uit te sluiten.

Een andere populaire klasse modellen, fuzzy dark matter genaamd, gaat uit van slechts een gefluister van een deeltje van donkere materie – misschien wel 10²⁸ maal lichter dan een elektron. Hypothetische deeltjes die axionen worden genoemd, kunnen zich bijvoorbeeld in dit groottebereik bevinden en ook relatief koud zijn. Deze vedergewichten zouden zich meer als golven dan als deeltjes gedragen en door sterrenstelsels golven. Net als warme donkere materie zou deze golfachtige incarnatie geen door zwaartekracht gebonden klonten vormen op massaschalen die kleiner zijn dan die van sterrenstelsels. Maar ultralichte donkere materie zou een ander verhaal hebben. Terwijl golven van vage donkere materie binnen een halo tegen elkaar botsen, kunnen ze kleinere interferentiepatronen vormen, korrels genoemd – korrelig uitziende gebieden waar de dichtheid van donkere materie hoger is – die hun eigen meetbare zwaartekrachtsignatuur zouden geven.

Om sommige van deze theorieën uit te sluiten, moeten halo’s van donkere materie met steeds lagere massa worden gevonden – of opvallend niet worden gevonden. De zoektocht begon met het identificeren van de kleinste halo's waarvan bekend is dat ze dwergstelsels omhullen, donkere materieklonten die nog steeds honderden miljoenen zonsmassa's wegen, en zoekt nu zijn weg naar het onbekende. Het probleem is echter dat deze hypothetische kleine donkere halo's waarschijnlijk niet de zwaartekracht hebben die nodig is om gewone materie aan te trekken en sterren te laten ontbranden. Ze zijn niet direct zichtbaar; het zijn niet veel meer dan zware schaduwen. “Er is gezocht naar bewijsmateriaal”, aldus de woordvoerder Matthew Walker, een astrofysicus aan de Carnegie Mellon Universiteit. “Het is gewoon lastig te vinden.”

Lessen uit lenzen

De meest geavanceerde zoektochten van vandaag naar kleine, donkere sub-halo's liften mee op een bijna wonderbaarlijk fenomeen: zwaartekrachtlenzen. Voorspeld door Einstein zijn zwaartekrachtlenzen gebieden met kromgetrokken ruimte-tijd rondom een ​​massief object. Het zwaartekrachtveld van dat object – de lens – vervormt en focust het achtergrondlicht op vrijwel dezelfde manier waarop een vergrootglas het beeld van een mier kan vergroten of zonlicht voldoende kan concentreren om een ​​vuur aan te steken.

Elke lensuitlijning omvat een lichtbron die schijnt vanaf de verre oevers van het universum, en de lens zelf. Vaak zijn deze lenzen massieve sterrenstelsels of clusters van sterrenstelsels die de ruimte-tijd vervormen en door kosmisch toeval toevallig op een lijn staan ​​tussen die verre bron en de aarde. Lenzen produceren een scala aan optische effecten, van lichtbogen tot meerdere kopieën van dezelfde achtergrondbron tot sterk vergrote afbeeldingen van objecten die anders veel te ver weg zouden zijn om te zien.

Alleen door te vissen door de gelenste kosmos hebben astronomen in 2017 gefotografeerd Icarus, een ster die zo'n 9 miljard jaar geleden helder brandde. Meer recent vonden ze de bijna 13 miljard jaar oude Earendel, de huidige recordhouder voor de oudste ster, die geeft evenveel licht op zichzelf als 1 miljoen zonnen. Ze zagen ook Godzilla, een monsterlijk energieke verre ster een explosieve uitbarsting ondergaan, en Godzilla's medemonster Mothra, dat een soortgelijk type variabel object lijkt te zijn. (“En ja, we hebben hier plezier mee”, zei Diego over het naamgevingsproces van zijn team.)

Maar zwaartekrachtlenzen zijn niet alleen portalen naar de andere kant van het universum. Jagers op donkere materie beschouwen de lenzen al lang als minstens zo interessant als wat ze vergroten. De precieze manieren waarop de lens het achtergrondbeeld vervormt en vervormt, komt overeen met hoe de massa wordt verdeeld in en rond het lensstelsel of de cluster. Als donkere materie bestaat in kleine sterloze klonten binnen het bekende patroon van halo’s ter grootte van een sterrenstelsel, dan zouden astronomen ook licht rond die klonten moeten kunnen zien buigen.

De kleinste donkere halo's die met deze methode worden gedetecteerd, kunnen nu al wedijveren met de kleinste halo's gemeten rond dwergstelsels. In 2020 gebruikte een team, waaronder Nierenberg, de Hubble-ruimtetelescoop en het Keck-observatorium op Hawaï om te kijken naar vergrote beelden van quasars – felle lichtbakens die worden uitgezonden door materie die in zwarte gaten valt – en hebben bewijs gevonden voor donkere halo’s zo klein als honderden miljoenen zonsmassa’s. Dat is dezelfde ruwe halogrootte die wordt geassocieerd met de kleinste sterrenstelsels, een niveau van statistische overeenstemming dat Nadler in Een studie werd het jaar daarop gepubliceerd en werd gebruikt om modellen voor warme donkere materie uit te sluiten die bestaan ​​uit deeltjes lichter dan ongeveer 1/50 van een elektron, waarin zulke kleine klontjes zich nooit zouden kunnen vormen.

Dit jaar hebben twee teams quasars met lens gebruikt om te zoeken naar korrels van vage, vederlichte donkere materiedeeltjes – korrels die zouden ontstaan ​​via een proces dat vergelijkbaar is met het proces waarbij rimpelingen verschijnen op het oppervlak van een zwembad, aldus de eerste auteur. van een van deze onderzoeken, Devon Powell van het Max Planck Instituut voor Astrofysica. “Je krijgt een heel chaotische, klonterige verdeling van de zaak,” zei hij. “Het is gewoon golfinterferentie.”

De analyse van zijn team, gepubliceerd in juni in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society, vond er geen bewijs voor golfachtige donkere materie-effecten in afbeeldingen met hoge resolutie van lichtbogen van één zwaartekrachtlens, wat suggereert dat het donkere deeltje zwaarder moet zijn dan de kleinste vage kandidaten. Maar een onderzoek uit april in Natuurastronomie, geleid door Alfred Amruth van de Universiteit van Hong Kong, bekeek vier kopieën met lenzen van een achtergrondquasar en kwam tot de tegenovergestelde conclusie: een lens gemaakt van vage donkere materie, zo betoogden zij, beter uitgelegd kleine schommelingen in hun gegevens. (Tegenstrijdige bevindingen zouden niet geheel verrassend zijn, aangezien de verwachte signalen subtiel zijn en de experimentele aanpak nieuw is, vertellen experts buiten beide teams Quanta.)

Nierenberg en haar collega's hebben ondertussen het afgelopen jaar JWST gebruikt om zwaartekrachtlenzen te observeren die quasars vergroten, met het voorlopige doel om hun eerste analyse in september te publiceren. In theorie berekenen ze dat het vermogen van JWST om kleinschalige structuur in lenzen bloot te leggen zou moeten onthullen of donkere halo's bestaan ​​als volledig onzichtbare, sterloze klonten met een groottebereik van tientallen miljoenen zonnemassa's. Als dat zo is, zouden die halo’s de sterkste beperking tot nu toe opleggen aan hoe ‘warm’ donkere materie kan zijn.

Deze nog nieuwere methode om door zwaartekrachtlenzen naar extreme, verre sterren zoals Mothra te kijken, zou binnenkort kunnen veranderen van het identificeren van eenmalige curiosa naar een vast onderdeel van de astronomie in het JWST-tijdperk. Als Diego en zijn collega's gelijk hebben, en ze Mothra kunnen zien omdat deze wordt gelenst door een klomp donkere materie die minder dan een paar miljoen zonsmassa's weegt, zou die observatie alleen al een breed scala aan modellen voor warme donkere materie uitsluiten. Maar het zou nog steeds zowel koude als vage donkere materie ondersteunen, hoewel het in het laatste geval – waar de extra vergroting van Mothra voortkomt uit een dichte korrel donkere materie in plaats van uit een door de zwaartekracht gebonden klomp – de vage donkere materie nog steeds in een smal bereik zou dwingen. van mogelijke massa's.

Astronomen zijn met Hubble en JWST nog veel meer sterren met lenzen aan het opgraven, zei Diego, waarbij ze opletten voor andere abnormale optische vervormingen die zouden kunnen voortkomen uit sterlicht dat rond kleine donkere objecten buigt. "We beginnen nog maar net aan de oppervlakte te komen", zei hij. “Ik neem tegenwoordig niet veel vakantie.”

Donkere eilanden in een stroom van sterren

Andere zoektochten naar kleine halo's van donkere materie zijn gericht op sterren die veel dichterbij staan: die in streamers nabij de Melkweg, en dubbelsterren in nabijgelegen dwergstelsels. In 2018, Anna Bonaca, nu astrofysicus bij de Carnegie Observatories, haastte zich om gegevens te downloaden van het Gaia-ruimtevaartuig van de European Space Agency, dat de bewegingen van bijna 2 miljard sterren in de Melkweg meet. Bonaca sorteerde die eerste waarnemingen en isoleerde de informatie van sterren die tot een structuur behoren die GD-1 wordt genoemd. Wat ze zag was ‘meteen super spannend’, zei ze. “We haastten ons om de komende week een artikel te schrijven.”

GD-1 is een stellaire stroom, een losse reeks sterren uit de Melkweg die – als je hem met het blote oog zou kunnen onderscheiden – zich tot meer dan halverwege de nachtelijke hemel zou uitstrekken. Deze sterren zijn lang geleden uit een bolvormige sterrenhoop geworpen; ze draaien nu aan weerszijden van de cluster rond de Melkweg, terwijl ze achter en voor het pad dobberen als boeien die een interstellair kanaal markeren.

In hun analyse van GD-1 vond het team van Bonaca de theoretische vingerafdruk van een tussendringend stuk donkere materie. Concreet leek een deel van de GD-1 in tweeën gespleten, alsof een enorm onzichtbaar object door het pad was gestormd en sterren in zijn kielzog had getrokken. Dat passerende object, zo berekenden ze, zou een sub-halo van donkere materie kunnen zijn geweest met een gewicht van een paar miljoen zonsmassa's – waardoor het ook een kanshebber is voor de kleinste vermeende klonter van donkere materie, en een potentiële bedreiging voor de geroosterdere varianten van warme donkere materie. .

Maar hoe kun je een enkele bevinding omzetten in iets meer statistisch? Volgens Bonaca hebben astronomen inmiddels ongeveer 100 sterrenstromen geregistreerd. Hoewel er slechts een handjevol in detail is bestudeerd, heeft elk exemplaar dat is onderzocht zijn eigen ongebruikelijke knikken en bochten die kunnen voortkomen uit zwaartekrachtcontacten met vergelijkbare kleine, donkere objecten. Maar de observaties zijn nog niet overtuigend.

‘Ik denk dat de beste manier om vooruit te komen is om stromen tegelijkertijd te analyseren,’ zei ze, ‘om te begrijpen hoeveel van [die ongewone kenmerken] afkomstig zijn van donkere materie.’

Op nog kleinere schaal heeft Walker in Carnegie Mellon het afgelopen jaar JWST-waarnemingen van dwergstelsels gescand, op zoek naar de meest kwetsbare sterrenstelsels die hij kan vinden: dubbelsterren die heel ver uit elkaar staan ​​en bij elkaar worden gehouden in een losse zwaartekrachtomhelzing. Als kleine donkere halo's - het soort objecten waarvan modellen van koude donkere materie zeggen dat ze er in overvloed zouden moeten zijn - voortdurend voorbijgaan en zwaartekracht uitoefenen op hun omgeving, zouden deze zeer brede binaire sterren niet moeten bestaan. Maar als er wel brede dubbelsterren verschijnen, wijst dat erop dat er geen kleine donkere halo's aanwezig zijn, wat een enorme klap is voor de vele modellen van koude donkere materie die ze voorspellen.

"Het is wat ik een anti-zoektocht naar subgalactische halo's van donkere materie noem", zei Walker.

Bewegen in de muren

De zoektocht naar kosmische schaduwen is nog steeds een klein onderdeel van een grotere poging om iets vast te leggen dat tot nu toe buiten bereik is gebleven. Op aarde gebaseerde experimenten die zijn ontworpen om deeltjes op te vangen die passen in de vage, warme en koude donkere materie-paradigma's gaan door; teams zijn nog steeds op zoek naar andere kenmerken van de fysica van donkere materie, van bijproducten die worden geproduceerd als en wanneer de deeltjes interageren met normale materie, tot de subtiele vraag hoe de dichtheid van donkere materie stijgt en daalt binnen donkere halo's, die afhangt van hoe de donkere deeltjes op elkaar inwerken met elkaar.

Tracy Slatyer, een theoretisch natuurkundige aan het Massachusetts Institute of Technology, visualiseert het mysterie van de donkere materie als een enorme doos vol talloze mogelijkheden, maar met slechts één juist antwoord. In deze analogie is het haar strategie om diep in dat kader te duiken met specifieke, weerlegbare ideeën over de eigenschappen van donkere materiedeeltjes. De zijkanten van de doos vertegenwoordigen echter de enige echte beperkende feiten die astronomen kunnen bieden, zoals bovengrenzen voor hoe warm donkere materie kan zijn, en ondergrenzen voor hoe vaag – of lichtgewicht – het kan zijn.

Als astronomen met vertrouwen volledig donkere kosmische objecten in het bereik van een miljoen zonsmassa zouden kunnen detecteren, zou dat een ‘observatiehoogstandje’ zijn, zei Slatyer. “Het zou ongelooflijk zijn.” De wanden van haar box zouden naar binnen bewegen, waardoor de beschikbare ruimte voor mogelijkheden kleiner zou worden.

Opkomende technologie kan deze verschillende zoektochten binnenkort transformeren van vroege pogingen in het duister tot diepere uitstapjes naar de schimmige structuren die ten grondslag liggen aan het universum. JWST zal zijn onderzoek naar zwaartekrachtlenzen de komende jaren verdiepen; De groep van Nierenberg is bijvoorbeeld begonnen met acht van dergelijke systemen, maar is van plan er uiteindelijk 31 te analyseren. Wanneer de Nancy Grace Roman Space Telescope, een observatorium van Hubble-kwaliteit met een veel breder gezichtsveld, in 2027 wordt gelanceerd, zou het veel gemakkelijker moeten zijn om door dwergstelsels te pannen, zoals Walker doet. Het Vera C. Rubin Observatorium, genoemd naar de baanbrekende astronoom wiens observaties onderzoekers dwongen het mysterie van donkere materie in de eerste plaats serieus te nemen, zal meer details van sterrenstromen onthullen zodra het in 2024 vanuit Chili gaat waarnemen. Samen zullen de twee observatoria zouden duizenden nieuwe zwaartekrachtlenzen moeten opleveren die kunnen worden doorzocht op donkere onderstructuren.

Tot nu toe heeft geen van de waarnemingen de populaire modellen voor koude donkere materie omvergeworpen, die voorspellen dat het universum bezaaid is met steeds kleinere klonten van dit spul. Terwijl astronomen doorgaan met het slopende werk van het kammen van deze klonten, hopen veel theoretici en experimentatoren dat een deeltjesfysica-experiment op aarde veel sneller tot de kern van het mysterie zal doordringen. Maar het blootleggen van deze geïsoleerde plekken van duisternis – en alle ingewikkelde natuurkunde die daarmee gepaard gaat – is als ‘een schoner laboratorium krijgen’, zei Slatyer. “We bevinden ons in een spannende tijd.”