De mysterieuze ontbrekende massa in het heelal bestaat niet uit piepkleine zwarte gaatjes. Stephen Hawking stelde deze verklaring voor donkere materie voor in de jaren zeventig. Astronomen hebben aangetoond dat er zeer waarschijnlijk geen, of niet genoeg, van die zwarte gaten zijn om donkere materie te verklaren.

Maar liefst 85 procent van de materie in het universum is zoek. Om de beweging van sterren en sterrenstelsels te verklaren moet er meer massa zijn dan we nu met alle mogelijk detectietechnieken kunnen vinden. Er wordt al jaren tevergeefs gezocht naar de donkeremateriedeeltjes waar die ontbrekende massa uit zou kunnen bestaan.

'Xenotransplantaties gaan voor een revolutie in de geneeskunde zorgen'
LEES OOK
'Xenotransplantaties gaan voor een revolutie in de geneeskunde zorgen'

Donkeremateriedeeltjes zijn de meest eenvoudige verklaring. Maar nu die nog niet gevonden zijn, wordt er gekeken naar andere mogelijkheden. Daarom is de zwarte-gatenhypothese van Stephen Hawking uit de kast gehaald, afgestoft en getest.

Zoeken naar zwaartekrachtlenzen

Een internationale groep astronomen maakte gebruik van het zwaartekrachtlenseffect om Hawkings hypothese te testen. Een zwaartekrachtlens ontstaat doordat een zwaar object, in dit geval zwarte gaatjes, het licht van achtergelegen sterren of sterrenstelsels afbuigt. In extreme gevallen kan die afbuiging ervoor zorgen dat het de sterren of sterrenstelsels helderder lijken dan ze zijn. Dit effect is alleen zichtbaar als het object dat voor het lenseffect zorgt vanaf ons gezien precies op een lijn staat met een ster.

Om meer kans te hebben om het lenseffect waar te nemen, keken de astronomen naar een sterrenstelsel vol sterren. Ze kozen het Andromedastelsel, een spiraalvormig sterrenstelsel op 2,6 miljoen lichtjaar afstand. In het licht dat daarvandaan komt, zochten ze naar lenseffecten van mini-zwarte gaten die zich tussen ons en dit sterrenstelsel bevinden.

De Melkweg (links) en het Andromedastelsel (rechts). Op een afstand van 2,5 miljoen lichtjaar. In vergelijking met het gebied dat deze sterrenstelsels beslaan, is het gebied waarin donkere materie zich bevindt waarschijnlijk veel (donkere cirkels). Bron: Kavli IPMU

In één nacht

Met de Subaru-telescoop op Hawaï maakten de onderzoekers tijdens een heldere nacht 190 foto’s van het Andromedastelsel. Ze zochten naar fikkeringen in het sterlicht die de aanwezigheid van zwaartekrachtlenzen verraden.

Volgens berekeningen op basis van Hawkings hypothese zouden er ongeveer duizend flikkeringen te zien moeten zijn op deze foto’s. Maar er werd maar één detectie gedaan van een flikkering die door een mini-zwart gat veroorzaakt zou kunnen zijn. Dat betekent dat donkere materie niet uit deze zwarte gaten bestaat. Of dat hooguit 0,1 procent van de donkere materiemassa hiermee te verklaren is.

De Subaru-telescoop kijkt vanaf de aarde naar het Andromedastelsel. Een ster daarin wordt tijdelijk helderder als een oer-zwart gat (primordial black hole) ervoor langs beweegt. Bron: Kavli IPMU

‘Het is behoorlijk indrukwekkend dat deze meting gedaan is met slechts één nacht aan waarnemingen met de Subaru-telescoop’, zegt Margot Brouwer, postdoc-onderzoeker aan de Rijksuniversiteit Groningen en niet betrokken bij het onderzoek.

‘Normaal gesproken ontstaat een zwarte gat als een ster aan het einde van zijn leven implodeert tijdens een supernova’, zegt Brouwer. ‘Dit gebeurt alleen met zeer zware sterren. Daardoor zijn deze zogeheten stellaire zwarte gaten vijf keer zwaarder dan de zon of zwaarder.’

Oer-zwarte gaten

De piepkleine zwarte gaten ontstonden volgens sommige theorieën in het vroege heelal, vlak na de oerknal. Toen de dichtheid erg hoog was. Deze worden ‘primordiale’ (of oer-) zwarte gaten genoemd. ‘Volgens de inflatietheorie dijde het heelal een fractie na de oerknal razendsnel uit’, zegt Brouwer. ‘Toen zijn quantumfluctuaties in het microscopisch kleine heelal opgeblazen tot macroscopische verschillen in de dichtheid van de materie.’ Sommige van deze dichtheidsverschillen waren mogelijk zo groot dat ze samenklonterden tot zwarte gaten. Deze zwarte gaten zouden veel kleiner, maar ook groter, kunnen zijn dan stellaire zwarte gaten. Schattingen van de massa variëren van 0,02 milligram tot duizenden zonsmassa.

Oer-zwarte gaten zijn nog nooit gevonden. Het is dus niet zeker of ze bestaan.

Gewichtsklassen

Een aantal gewichtsklassen was al uitgesloten. Superkleine oer-zwarte gaatjes van minder dan een biljardste zonsmassa verdampen door Hawkingstraling. Zware oer-zwarte gaten, van duizenden tot ongeveer een honderd duizendste zonsmassa zijn door eerder zwaartekrachtlensonderzoek uitgesloten.

‘Dit experiment sluit nu ook zwarte gaten van een honderd miljardste tot honderd duizendste (10-11– 10-5) zonsmassa uit’, zegt Brouwer. Ter vergelijking: de aarde weegt een miljoenste zonsmassa. ‘We weten nu dus nog zekerder dat donkere materie niet uit zwarte gaten bestaat. Maar het is in theorie nog mogelijk dat donkere materie bestaat uit oer-zwarte gaten met een massa tussen tien biljardste en een honderd miljardste zonsmassa. Toekomstig zwaartekrachtgolven-onderzoek stelt ons mogelijk in staat om dit te onderzoeken.’