Nieuwe wetenschappelijke ontdekkingen doen de astrofysica opschudden door de mogelijkheid nieuw leven in te blazen dat donkere materie, een raadselachtige en onzichtbare substantie, verantwoordelijk is voor een overmatige emissie van gammastraling in het hart van de Melkweg. Een internationaal team van onderzoekers, waaronder wetenschappers van de Universiteit van Wenen, gebruikte machinaal leren om cruciale gegevens opnieuw te onderzoeken, en betwistte eerdere conclusies die deze hypothese uitsloten. De studie, gedetailleerd beschreven in het academische tijdschrift ‘Physical Review Letters’, brengt nieuw leven in het debat over de samenstelling van ons universum.
Het mysterie van overtollige gammastraling in het galactische centrum
Astronomen hebben jarenlang een bolvormige concentratie van gammastraling waargenomen, GCE (Galactic Center Excess) genoemd, in het centrale deel van de Melkweg. De oorsprong van deze straling is het onderwerp geweest van intens debat, waarbij twee hoofdtheorieën met elkaar in conflict zijn. De ene suggereert dat GCE het resultaat is van de vernietiging van donkere materiedeeltjes, terwijl de andere het fenomeen toeschrijft aan een groot aantal compacte hemellichamen, zoals millisecondepulsars. Tot nu toe heeft de statistische analyse de voorkeur gegeven aan de pulsar-verklaring.
Donkere materie, die naar schatting vijf tot zes keer zo overvloedig aanwezig is in het universum als gewone materie, blijft een van de grootste raadsels van de wetenschap, gezien de onwaarneembaarheid ervan door middel van elektromagnetische golven. Het begrijpen van hun aard en interacties zou onze kijk op de kosmos radicaal kunnen veranderen.
Machine learning legt patronen in gammastraling bloot
Het team van onderzoekers, onder leiding van Florian List van de Universiteit van Wenen en Nick Rodd van het Lawrence Berkeley National Laboratory, introduceerde een innovatieve aanpak voor het onderzoeken van de bron van gammastraling. Ze voerden aan dat conventionele methodologieën de energetische informatie van elk individueel foton niet volledig benutten.
- Om deze beperking te overwinnen, hebben wetenschappers:
- Ze trainden een machine learning-model (neuraal netwerk) met behulp van meer dan een miljoen simulatiedatapunten.
- Ze evalueerden tegelijkertijd de ruimtelijke en spectrale informatie van gammastraling, inclusief de intensiteitsverdeling per golflengte.
Uit deze diepgaande analyse bleek dat als de GCE werkelijk door puntbronnen zou worden veroorzaakt, het centrum van de Melkweg meer dan 35.000 extreem zwakke bronnen nodig zou hebben. Dit aantal overtreft aanzienlijk eerdere schattingen, die varieerden van honderden tot duizenden. Volgens Rodd zou de straling die door zo’n grote reeks puntbronnen wordt uitgezonden, vrijwel niet te onderscheiden zijn van de verstrooiing die verwacht wordt door de vernietiging van donkere materie. Deze bevindingen brachten het team ertoe de donkere materie-hypothese te heroverwegen en stelde dat “het nog te vroeg is om deze uit te sluiten”.
Uiteenlopende onderzoeken onthullen de complexiteit van donkere materie
Terwijl het onderzoek van List et al. doet het GCE-debat opnieuw oplaaien, een parallelle studie, gepubliceerd in 2025 door professor Tomonori Totani van de Universiteit van Tokio, biedt een contrasterend perspectief. Met behulp van gegevens van NASA’s Fermi-satelliet identificeerde Totani een halo-achtige emissiecomponent die zich symmetrisch uitstrekt vanuit het centrum van de Melkweg, na het uitsluiten van gebieden met een hoge dichtheid aan hemellichamen.
- De door Totani waargenomen gammastraling had een energiepiek van ongeveer 20 GeV (giga-elektronvolt), consistent met theoretische voorspellingen voor de vernietiging van donkere materiedeeltjes met een massa van ongeveer 500 GeV. Deze bevinding wijst weliswaar ook op donkere materie, maar benadrukt een cruciale discrepantie:
- GCE-emissiepiek (List et al.):Ongeveer 2-3 GeV.
- Halo-emissiepiek (Totani):Ongeveer 20 GeV.
Dit orde van grootte verschil in energiebereiken, gekoppeld aan verschillen in veronderstelde dichtheidsverdelingen, suggereert dat GCE- en halostraling een verschillende oorsprong kunnen hebben. Als beide verschijnselen inderdaad sporen van donkere materie zijn, impliceert dit dat hun deeltjes aanzienlijk verschillende massa’s en interactie-eigenschappen zouden hebben (vernietigingsdwarsdoorsnede).
Volgende stappen in het ophelderen van kosmische geheimen
Recente ontdekkingen, zowel de ontdekkingen die de donkere materie-hypothese voor de GCE bevestigen als de ontdekkingen die het halo-fenomeen met verschillende kenmerken onthullen, leggen nieuwe ‘spanningen’ op aan het wetenschappelijk begrip. Theoretisch gezien roepen deze spanningen fundamentele vragen op voor de astrofysica: is een van de fenomenen van conventionele astronomische oorsprong en het andere gerelateerd aan donkere materie? Of zou donkere materie niet één enkele entiteit zijn, maar eerder een reeks deeltjes met complexere en gevarieerdere eigenschappen dan eerder werd gedacht?
De accumulatie van meer observationele gegevens, gecombineerd met onafhankelijke verificatie door verschillende onderzoeksteams, zal van fundamenteel belang zijn voor het ontrafelen van deze mysteries. Naarmate de technologie vordert en de analytische mogelijkheden verbeteren, hoopt de wetenschappelijke gemeenschap beslissende stappen te zetten in de richting van het begrijpen van de ware aard van donkere materie, een van de grootste uitdagingen en geheimen van het universum.