• Nieuws
  • OMMEGANG: donkere materie zoeken met satellieten en gravimeters

OMMEGANG: donkere materie zoeken met satellieten en gravimeters

11 okt 24

OMMEGANG: donkere materie zoeken met satellieten en gravimeters


Brussel, 11 oktober 2024 – Dit is geen Brussels volksfeest, maar een wetenschappelijk onderzoeksproject. OMMEGANG, een acroniem voor “Observing dark Matter and MEteoroids with Gravimeters ANd GNSS”, probeert mini-zwarte gaten die vlak langs de aarde scheren te detecteren met behulp van gegevens van GNSS-positioneringssatellieten (waaronder de GPS- en Galileo-systemen) en supergeleidende gravimeters. Zulke mini-zwarte gaten zouden het raadsel van de donkere materie in het heelal kunnen verklaren. Wetenschappers van de Koninklijke Sterrenwacht van België (KSB) en de ULB zijn betrokken bij dit project dat de expertise van de KSB in GNSS- en zwaartekrachtmetingen en de expertise van de ULB in donkere-materiemodellen en primordiale zwarte gaten samenbrengt.

Twee zwarte gaten die dicht bij elkaar komen (linksonder) en een sterrenstelsel (rechtsboven)

Artistieke impressie van een massief zwart gat dat samensmelt, waarschijnlijk zoals GW190521, een waarneming van zwaartekrachtgolven door LIGO/Virgo. Krediet: Ingrid Bourgault (gedistribueerd onder CC BY-SA 4.0 internationale licentie). (Bron: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Illu_LIGO-Virgo_20200902_2.jpg)

Donkere materie bestaande uit mini-zwarte gaten?

Het bestaan van donkere materie is een hypothese die de afwijkende bewegingen van sterren in sterrenstelsels zou kunnen verklaren. Sterrenstelsels draaien veel sneller dan wordt verwacht  op grond van de aantrekkingskracht van het gas en de sterren waaruit ze bstaan. Aangezien zwaartekracht gekoppeld is aan massa, zou de beste verklaring voor deze te hoge snelheden de aanwezigheid van onbekend en onzichtbaar materie zijn. Dit kan alleen waargenomen worden door het effect van zwaartekracht: donkere materie.

Al meer dan 40 jaar is de wetenschappelijke gemeenschap tevergeefs op zoek naar deze donkere materie en zijn er veel hypotheses over de structuur ervan. Sommigen denken dat het, op kleine schaal, bestaat uit een verzameling donkere materiedeeltjes die door het zonnestelsel bewegen. De grootte en massa van deze hypothetische brokken materie blijven echter onbekend.

Een andere hypothese die momenteel in zwang is, is dat deze donkere materie ook zou kunnen bestaan uit mini oer-zwarte gaten, die zijn gevormd bij het begin van het heelal. “Het idee dat zwarte gaten zich een fractie van een milliseconde na de oerknal konden vormen uit brokjes in de oersoep dateert uit de jaren 1970 en het werk van Stephen Hawking en zijn student Bernard Carr”, legt Sébastien Clesse, kosmoloog aan de ULB, uit. “Als de massa van zulke mini-zwarte gaten, met een grootte van een atoom, gelijk zou zijn aan die van een berg of een grote asteroīde,  zouden ze de mysterieuze donkere materie van het heelal kunnen verklaren”.

Mini-zwarte gaten detecteren: een uitdaging

Hoewel ze in absolute termen zeer massief zijn, zijn deze mini-zwarte gaten vrijwel niet te detecteren. Zoals Bruno Bertrand (KSB) uitlegt, “is de zwaartekracht op deze schalen erg zwak. Als bijvoorbeeld een primordiaal zwart gat met een gewicht van 1014 kg, dat wil zeggen honderd miljard ton of 20.000 keer de massa van de Grote Piramide van Khufu, ons zou naderen tot op een afstand van 100 m, zouden we gedurende een fractie van een seconde een kracht van een tiende van ons gewicht voelen. Een heel kort moment, want deze donkere materie-objecten leggen volgens de modellen in één seconde 200 km af ten opzichte van ons.

Het is dus een uitdaging om deze mini-zwarte gaten te detecteren. Pascale Defraigne, Bruno Bertrand (KSB), Michel Van Camp (vroeger KSB, nu aan het Koninklijk Belgisch Instituut voor Natuurwetenschappen) en Sébastien Clesse (ULB) namen deel aan een studie om de grenzen en mogelijkheden van de detectie van deze objecten af te schatten. De eerste auteur van het artikel, Michal Cuadrat-Grzybowski, destijds student aan de ULB en de KSB en nu onderzoeker aan de TU Delft, is een expert in het berekenen van banen.

In deze studie, onlangs  gepubliceerd in Physical Review D, vinden de wetenschappers dat als een mini-zwart gat dichterbij dan de afstand aarde-maan langse de aarde scheert – een gebeurtenis dat ten minste één per decennium voor de bovengenoemde massa van 1014 kg plaatsvindt –  de banen van GNSS-satellieten (Global Navigation Satellite System) voor plaatsbepaling, zoals de GPS- en Galileo-satellieten, kan verstoren en variaties in het zwaartekrachtsveld van de aarde kan veroorzaken. Dit zou gedetecteerd kunnen worden  door supergeleidende gravimeters en dit is waar het OMMEGANG-onderzoeksproject om de hoek komt kijken.

GNSS en zwaartekrachtgegevens als redding

Satellietbanen, die tot op de centimeter nauwkeurig bekend zijn, zijn veel gevoeliger voor massaverstoringen dan planeetbanen. Bovendien zouden supergeleidende zwaartekrachtmeters, die de zwaartekracht tot op een honderdste van een miljardste van zijn gemiddelde waarde kunnen meten, ook variaties in de zwaartekracht kunnen detecteren die veroorzaakt worden door de passage van een donkere-materieobject.

Bovendien zijn GNSS- en zwaartekrachtgegevens al beschikbaar. De KSB heeft al lang expertise in het verwerken van GNSS-gegevens en het meten van zwaartekracht, een wetenschap die bekend staat als gravimetrie. De KSB heeft ook twee supergeleidende gravimeters beheerd: de ene, in Membach (Hoge Venen, België), heeft 28 jaar aan gegevens geproduceerd en de andere, in Rochefort, bijna 10 jaar.

Een interdisciplinair project

De expertise van de KSB is al gebruikt voor innovatief onderzoek op het gebied van geofysica en fundamentele fysica. Dezelfde gegevens, en die van andere observatoria over de hele wereld, zullen daarom gebruikt worden voor het OMMEGANG project, zonder dat er een duur nieuw experiment gebouwd hoeft te worden. Zoals Bruno Bertrand zegt: “Het is de kunst om apparatuur die in eerste instantie bedoeld is voor een ander gebruik om te zetten in een detector voor ander opwindend onderzoek!”.

Het is ook een manier om de wetenschap vooruit te helpen door verschillende wetenschappelijke disciplines samen te brengen. “OMMEGANG brengt twee complementaire expertises van onze twee instituten samen,” zegt Sébastien Clesse. “Enerzijds is er de expertise van de ULB in kosmologie en fundamentele fysica (donkere materie, zwarte gaten in de oertijd), en anderzijds de expertise van KSB in GNSS en gravimetrische gegevens. Dit interdisciplinaire project is een nieuwe manier van wetenschap bedrijven en we verwachten veel vruchtbare resultaten.

Meer informatie