De James Webb Space Telescope (JWST), gelanceerd in 2022, heeft ons begrip van het vroege universum dramatisch veranderd. Toch is een van de grootste puzzels van de kosmologie – de aard van donkere materie – ongrijpbaar gebleven. Nieuw onderzoek suggereert dat de JWST binnenkort een doorbraak kan bieden, niet door rechtstreeks donkere materie te zien (die geen interactie heeft met licht), maar door zijn zwaartekrachtvingerafdrukken op de vormen van oude sterrenstelsels te onthullen.
Donkere materie vormt naar schatting 85% van alle materie in het universum. Het probleem is dat deze geen licht uitstraalt, absorbeert of reflecteert, waardoor directe detectie onmogelijk wordt. Wetenschappers weten dat het bestaat vanwege de zwaartekrachteffecten op zichtbare materie en licht. Dit betekent dat donkere materie niet bestaat uit gewone protonen, neutronen en elektronen. Ondanks tientallen jaren zoeken blijven hypothetische donkere materiedeeltjes frustrerend onbevestigd.
De nieuwe studie, gepubliceerd in Nature Astronomy, stelt dat de zwaartekrachtsinvloed van donkere materie de onverwacht langgerekte vormen van sommige jonge sterrenstelsels zou kunnen verklaren. Traditioneel gaan simulaties ervan uit dat sterrenstelsels ontstaan wanneer gas zich verzamelt langs draden van donkere materie, wat resulteert in bolvormige structuren. Maar de JWST observeert steeds vaker draadvormige, uitgerekte sterrenstelsels in het vroege heelal die niet gemakkelijk in dit model passen.
Onderzoekers onder leiding van Álvaro Pozo van het Donostia International Physics Center testten simulaties met verschillende soorten donkere materie. Ze ontdekten dat “vage donkere materie” (ultralichte deeltjes met golfachtig gedrag) of “warme donkere materie” (sneller bewegende deeltjes) deze vreemde vormen zouden kunnen verklaren.
“Als ultralichte axiondeeltjes de donkere materie vormen, zou hun kwantumgolfachtige gedrag de vorming van fysieke schalen kleiner dan een paar lichtjaren een tijdje verhinderen, wat zou bijdragen aan het soepele draadvormige gedrag dat JWST nu op zeer grote afstanden waarneemt,” legt Pozo uit.
De sleutel is dat deze alternatieve modellen voor donkere materie gladdere filamenten creëren dan het standaard Lambda Cold Dark Matter (LCDM) -model. Gas en sterren stromen langs deze filamenten, wat resulteert in langwerpige sterrenstelsels. De JWST zal deze vroege sterrenstelsels blijven scannen, terwijl onderzoekers de simulaties verfijnen. Het combineren van deze waarnemingen met theoretische modellen kan uiteindelijk helpen het mysterie van donkere materie op te lossen.
Dit is een cruciale stap omdat het begrijpen van donkere materie niet alleen gaat over het voltooien van ons kosmologische beeld; het gaat over het onthullen van de fundamentele bouwstenen van het universum. Het vermogen van de JWST om het vroege universum met ongekende helderheid waar te nemen, biedt de beste hoop tot nu toe voor het ontrafelen van dit decennia-oude mysterie.
