Gamma-achtergrondstraling bevat geen spoor van donkere materie

Meest nauwkeurige studie van variaties in gamma-achtergrondstraling

20 december 2016

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 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.”

Over Grappa

GRAPPA (GRavitation and AstroParticle Physics in Amsterdam, https://iop.fnwi.uva.nl/grappa/), is een onderzoekszwaartepunt van de Universiteit van Amsterdam. Aan dit onderzoek werkten drie GRAPPA onderzoekers mee: Mattia Fornasa (eerste auteur), Jennifer Gaskins en Fabio Zandanel.

Variaties in de isotrope gamma-achtergrondstraling in het heelal, gebaseerd op meetgegevens van de Fermi Telescoop over een periode van 81 maanden. De gammastraling van onze eigen Melkweg is gemaskeerd.

Variaties in de isotrope gamma-achtergrondstraling in het heelal, gebaseerd op meetgegevens van de Fermi Telescoop over een periode van 81 maanden. De gammastraling van onze eigen Melkweg is gemaskeerd. Credit: Mattia Fornasa, UvA/Grappa

Artikel

Mattia Fornasa, Alessandro Cuoco, Jesús Zavala, Jennifer M. Gaskins, Miguel A. Sánchez-Conde, German Gomez-Vargas, Eiichiro Komatsu, Tim Linden, Francisco Prada, Fabio Zandanel and Aldo Morselli - The angular power spectrum of the diffuse gamma-ray emission as measured by the Fermi Large Area Telescope and constraints on its Dark Matter interpretation, in Phys. Rev. D 94, 123005, 9 December 2016 http://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.94.123005.

Gepubliceerd door  UvA Persvoorlichting