Astrofysici Thomas Edwards, Marco Chianese en Bradley Kavanagh, uit de onderzoeksgroepen van Samaya Nissanke and Christoph Weniger aan het GRAPPA center of excellence, hebben de zwaartekrachtgolven bestudeerd die worden geproduceerd wanneer een neutronenster en een zwart gat samensmelten. Ze ontdekten dat deze golven enigszins veranderen wanneer een bepaald type donkere materie aanwezig is.

Donkere materie

Donkere materie is een ongrijpbare vorm van materie, waarvan verondersteld wordt dat ongeveer een kwart van de energiedichtheid in het heelal eruit bestaat. Het oefent geen andere krachten dan de zwaartekracht uit, en is daarom niet 'zichtbaar'. Om de aard van donkere materie vast te stellen, moet men daarom de aanwezigheid ervan onafhankelijk vaststellen en een apart signaal meten als gevolg van de interacties met normale deeltjes. Dit is tot nu toe onmogelijk gebleken, maar de recente ontdekking van zwaartekrachtgolven die worden uitgezonden door samensmeltende zwarte gaten heeft ons een nieuwe manier gegeven om het heelal waar te nemen.

Het werk van Edwards en collega's laat zien dat gebeurtenissen waarbij zwarte gaten en neutronensterren samensmelten, gecombineerd met waarnemingen door radiotelescopen, mogelijk de aanwezigheid van een van de best gemotiveerde donkeremateriekandidaten kan aantonen: het zogeheten 'QCD-axion'. Als dergelijke axionen in de buurt van het oppervlak van het zwarte gat voorkomen als het samensmelt met een neutronenster, zullen de zwaartekrachtgolven op een subtiele maar herkenbare manier veranderen. Dit maakt een directe meting van de dichtheid van axionen mogelijk.

Karakteristiek signaal

De axionen worden tegelijkertijd omgezet in radiogolven door de sterke magnetische velden van de neutronenster. Wanneer de zwaartekrachtgolf-signalen en de radiosignalen tegelijkertijd gedetecteerd zouden worden, zou dat een detectie van donkere materie in de vorm van QCD-axionen betekenen.

De resultaten zijn deze week gepubliceerd in Physical Review Letters.

Publicatie

Unique Multimessenger Signal of QCD Axion Dark Matter, Thomas D. P. Edwards, Marco Chianese, Bradley J. Kavanagh, Samaya M. Nissanke en Christoph Weniger, Phys. Rev. Lett. 124, 161101 – Gepubliceerd op 20 april 2020.