Nature-publicatie: Analyse zwaartekrachtlens maakt unieke toets voor theorie donkere materie mogelijk

Sterrenkundigen van het Kapteyn Instituut van de RUG zijn er voor het eerst in geslaagd om op grond van waarnemingen berekeningen uit te voeren over de massaverdeling van donkere materie op hele kleine schaal. In een artikel in Nature deze week beschrijven ze een onderzoek naar de afbeelding van een sterrenstelsel via een zogenaamde zwaartekrachtlens. ‘Deze analyse geeft ons een unieke methode om theoretische modellen van donkere materie te testen,’ zegt onderzoeksleider prof. dr. Léon Koopmans.

Op grond van de baanbewegingen van sterren en sterrenstelsels nemen sterrenkundigen aan dat in het heelal meer materie aanwezig is dan alleen de zichtbare materie. Waar deze onzichtbare - donkere - materie uit bestaat, is nog niet bekend, maar men vermoedt dat het gaat om elementaire deeltjes. Om meer te weten te komen over de aard van de donkere materie wordt onderzoek verricht naar de verdeling ervan over het heelal.

Zwaartekrachtlens

Hoewel donkere materie geen licht afgeeft, kan deze indirect toch worden waargenomen. Niet alleen door de baanbewegingen van sterren, maar ook omdat donkere materie de eigenschap heeft dat het als lens kan dienen.

Het natuurkundig principe waarop dat berust, is echter een andere dan dat van de normale optische lens van glas. Massa veroorzaakt zwaartekracht en de algemene relativiteitstheorie van Einstein stelt zwaartekracht gelijk aan kromming van ruimte-tijd. Ook de lichtbaan die door de gekromde ruimte loopt, is schijnbaar gekromd en werkt dus als een lens. Omdat zwaartekracht deze lenswerking veroorzaakt, spreekt men van zwaartekrachtlenzen.

Het principe van de zwaartekrachtlens houdt in dat men de verbuiging van de lichtbaan kan relateren aan de massa van de donkere materie die de kromming veroorzaakt. Onregelmatigheden in het beeld kunnen teruggerekend worden naar onregelmatigheden in de verdeling van de massa van de donkere materie.

Krachtige analysemethode

Sterrenkundigen, waaronder ook de groep geleid door prof. Koopmans, hebben afgelopen jaren veel zwaartekrachtlenzen ontdekt die in de vorm van een zogenaamde Einstein-ring een beeld geven van een sterrenstelsel dat achter de lens ligt. Koopmans en zijn team ontwikkelden in de afgelopen jaren een krachtige analysemethode die hen in staat stelt met behulp van een dergelijk beeld gedetailleerde uitspraken te doen over de verdelingsstructuur van de donkere materie.

In het Nature-artikel analyseren ze een Einstein-ring met behulp van een opname die in juni 2010 werd gemaakt met de Near Infrared Camera van de W.M. Keck-telescoop op Hawaï. ‘Theorieën over donkere materie voorspellen een bepaalde structuur van de massaverdeling,’ zegt Koopmans. ‘We hebben nu voor de eerste keer een beeld geanalyseerd en de resultaten komen goed overeen met de theorie. Maar één onderzoek zegt eigenlijk nog niets; pas als we er een stuk of tien hebben gedaan, kun je echt wat zeggen. Als we in volgende onderzoeken wel afwijkingen vinden, zal dat zeker consequenties hebben voor de theorie.’

Gravitational detection of a low-mass dark satellite galaxy at cosmological distance. S. Vegetti, D.J. Lagattuta, J.P. McKean, M.W. Auger, C.D. Fassnacht & L.V.E. Koopmans. Nature, 19 januari 2012, doi:10.1038/nature10669

Noot voor de pers

Meer informatie: prof.dr. L.V.E. Koopmans