Twee natuurkundigen denken dat nieuwe deeltjes exoplaneten warmer maken dan ze horen te zijn. Kunnen deze verre werelden het donkere-materieprobleem eindelijk oplossen?

Twee van de grootste open vragen binnen de sterrenkunde zijn ‘is er leven elders in het heelal?’ en ‘waar bestaat donkere materie uit?’. Je zou verwachten dat de zoektocht naar planeten buiten ons eigen zonnestelsel – zogenoemde exoplaneten – vooral helpt bij het beantwoorden van die eerste vraag. Maar volgens de Amerikaanse natuurkundigen Rebecca Leane (SLAC National Accelerator Laboratory) en Juri Smirnov (Ohio State University) kunnen deze verre werelden ook licht werpen op het probleem van de donkere materie.

Lees ook:

• Zijn sporen van donkere materie te vinden in stokoude stenen?
• Kun je op deze manier wél gravitonen vinden?
• Is ons universum stiekem één groot computerspel?

Vernietigende deeltjes

Even een korte opfrisser wat betreft dat laatste: het heeft er alle schijn van dat 85 procent van ons heelal bestaat uit een vorm van materie die we niet kunnen zien, maar die met zijn zwaartekracht wel invloed uitoefent op zijn omgeving.

De meeste natuur- en sterrenkundigen nemen aan dat het hier gaat om een of meerdere soorten nieuwe deeltjes. Tot nu toe is echter geen enkel experiment erin geslaagd het bestaan van zulke deeltjes aan te tonen. Sterker nog: we weten niet eens om wat voor soort deeltjes het gaat. Wel hebben we een hele waslijst aan donkere-materie-kandidaten: deeltjes die volgens theoretici het probleem zouden kunnen oplossen – als ze inderdaad bestaan.

Leane en Smirnov stellen nu een nieuwe manier voor om naar zulke deeltjes op zoek te gaan. Niet door grote experimenten hier op aarde te bouwen in de hoop een botsing tussen een donkerematerie- deeltje en een gewoon deeltje waar te nemen, maar door onze blik op het heelal te richten. Op exoplaneten, om precies te zijn, waarvan er inmiddels meer dan vierduizend zijn ontdekt, en op bruine dwergen: objecten die het midden houden tussen een grote planeet en een kleine ster.

Wat kunnen die ons dan vertellen over donkere materie? Het idee is dat dit soort hemellichamen met hun zwaartekracht donkere-materie-deeltjes naar zich toe trekken. Die deeltjes verzamelen zich vervolgens in hun binnenste. Als ze daar dan alleen maar een beetje rond zouden hangen, zouden we er van een afstandje weinig van merken. Veel voorgestelde donkere-materie-deeltjes blijken elkaar echter te kunnen vernietigen. “Daarbij wordt hun massa omgezet in energie,” legt Leane uit, “en die energie warmt de planeet op.”

Hete planeten

Daarom willen Leane en Smirnov op zoek gaan naar planeten die heter zijn dan ze zouden moeten zijn. Probleem is alleen dat er in onze directe omgeving niet zo gek veel donkere materie te vinden is. Nabije planeten zullen er dus nauwelijks door opgewarmd worden.

Maar richting het centrum van de Melkweg, het enorme, schijfvormige sterrenstelsel waar de zon deel van uitmaakt, wordt de donkere-materiedichtheid steeds groter. Daar zullen planeten of bruine dwergen dus ook meer opgewarmd worden door de donkere-materie-deeltjes die ze in hun binnenste hebben verzameld.

“Een opwindend idee, dat in principe zou moeten werken”, oordeelt Joachim Kopp, als theoretisch natuurkundige verbonden aan het deeltjesinstituut CERN. “De meeste soorten donkerematerie- deeltjes waar veel onderzoek naar is gedaan, kunnen inderdaad ingevangen worden door hemellichamen en elkaar daar vernietigen. Maar donkere materie kan ook bestaan uit deeltjes die elkaar niet vernietigen. In dat geval zouden ze planeten ook niet opwarmen.”

Een ander punt is: stel dat je een planeet vindt die warmer is dan je zou verwachten. Hoe weet je dan zeker dat dat door donkere materie komt? Leane onderkent dat er ook andere verklaringen mogelijk zijn. “We willen ons met name richten op oudere planeten, omdat die sinds hun ontstaan het meest zijn afgekoeld en dus van zichzelf het koudst zijn. Dan merk je eventuele verhitting ten gevolge van donkere materie makkelijker op. Maar het kan natuurlijk zo zijn dat een planeet jonger is dan gedacht, en daardoor heter is dan hij zou moeten zijn.”

Om andere wetenschappers te overtuigen, zal het dus vooral zaak zijn om zoveel mogelijk ongewoon warme planeten te vinden, zegt Kopp. Als je dan bovendien ziet dat het verschil tussen de verwachte en de gemeten temperatuur groter wordt naarmate je dichter bij het centrum van de Melkweg komt, wordt het verhaal nog een stuk overtuigender. Dat sluit namelijk mooi aan op de verwachting: hoe meer donkere materie er in de directe omgeving te vinden is, hoe heter je planeet.

Hoofdpijndossier

De ogen zijn nu vooral gericht op de James Webb-ruimtetelescoop. Die is namelijk heel geschikt om de temperaturen van exoplaneten en bruine dwergen mee te bepalen. Dat apparaat hoort eind oktober gelanceerd te worden, dus je zou zeggen: mooi, nog een halfjaar geduld en we kunnen aan de slag. Helaas is ‘de James Webb’ nogal een hoofdpijndossier gebleken: de kijker heeft al decennialang te maken met vertragingen en kostenoverschrijdingen, en daar is nu ook nog de coronacrisis bij gekomen.

Maar goed, ergens de komende paar jaar zal hij toch een keer de hoogte in gaan. En als het aan Leane en Smirnov ligt, staat ‘zoeken naar oververhitte planeten’ dan zeker op zijn inmiddels enorme to-do-lijst.

Deze Far Out staat ook in KIJK 4/2021.

Bronnen: arXiv.org, Juri Smirnov, Rebecca Leane

Beeld: ESA/HUBBLE & NASA, ISTOCK/GETTY IMAGES

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!