Donkere materie, de beroemdste onzichtbare huisgenoot van het universum, zou naar verluidt het grootste deel van de materie in de kosmos uitmaken - maar niemand kan het zien, aanraken of een RSVP laten sturen. In tegenstelling tot gewone materie weigert het te interageren met licht of elektromagnetische krachten, waardoor zwaartekracht de enige bekende manier is om zijn aanwezigheid te detecteren. Nu denken onderzoekers dat botsende zwarte gaten deze ongrijpbare substantie eindelijk een reden kunnen geven om zich te laten zien.

Natuurkundigen van MIT en verschillende Europese instellingen hebben een methode ontwikkeld om mogelijke signalen van donkere materie te spotten die verborgen zitten in zwaartekrachtgolven - die rimpelingen in de ruimtetijd die ontstaan wanneer massieve objecten zoals zwarte gaten om elkaar heen spiraliseren en samensmelten. Als die zwarte gaten door dichte wolken van donkere materie reizen voordat ze botsen, zouden de resulterende zwaartekrachtgolven subtiele sporen van die interactie kunnen dragen, als een kosmische handafdruk op een raam. Het team testte hun aanpak met behulp van openbaar beschikbare gegevens van LIGO-Virgo-KAGRA (LVK), het internationale netwerk van zwaartekrachtgolfobservatoria dat fusies van zwarte gaten en andere verre kosmische gebeurtenissen monitort.

De onderzoekers analyseerden signalen van de eerste drie observatieruns van LVK, waarbij ze zich richtten op 28 van de duidelijkste zwaartekrachtgolfgebeurtenissen die tot nu toe zijn gedetecteerd. Voor 27 van die gebeurtenissen kwamen de signalen overeen met wat wetenschappers zouden verwachten van zwarte gaten die samensmelten in de lege ruimte - zaken als gewoonlijk in het vacuüm. Maar één signaal, bekend als GW190728, leek anders. Volgens de analyse van het team kan het patroon van die zwaartekrachtgolf bewijs bevatten van een interactie met donkere materie. De onderzoekers benadrukken dat dit niet telt als een bevestigde ontdekking - meer als een veelbelovende aanwijzing in een kosmische cold case.

"We weten dat donkere materie om ons heen is. Het moet gewoon dicht genoeg zijn om de effecten ervan te zien," zegt Josu Aurrekoetxea, een postdoc bij de afdeling Natuurkunde van MIT. "Zwarte gaten bieden een mechanisme om deze dichtheid te versterken, die we nu kunnen zoeken door de zwaartekrachtgolven te analyseren die worden uitgezonden wanneer ze samensmelten." De bevindingen verschijnen in Physical Review Letters, mede-auteur van Aurrekoetxea, LVK-lid Soumen Roy van de Université Catholique de Louvain (UCLouvain) in België, Rodrigo Vicente van de Universiteit van Amsterdam, Katy Clough van Queen Mary University of London, en Pedro Ferreira van Oxford University.

Donkere materie blijft een van de grootste schandalen van de natuurkunde - wetenschappers leiden het bestaan ervan af omdat de zwaartekracht rond sterrenstelsels sterker lijkt dan alleen zichtbare materie kan verklaren, en waarnemingen van gravitatielenzen tonen een extra massa die licht buigt. Huidige schattingen suggereren dat donkere materie meer dan 85 procent van de materie in het universum zou kunnen uitmaken, maar onderzoekers weten nog steeds niet wat het eigenlijk is. Een voorgestelde vorm omvat extreem lichte deeltjes genaamd "lichte scalaire" deeltjes, waarvan theorieën suggereren dat ze zich als gecoördineerde golven in de buurt van zwarte gaten kunnen gedragen. Wetenschappers geloven dat wanneer deze golven een snel ronddraaiend zwart gat tegenkomen, de rotatie-energie van het zwarte gat kan worden overgedragen naar de donkere materiegolven, waardoor hun dichtheid dramatisch toeneemt - een proces dat bekend staat als superradiantie, dat is vergeleken met het kloppen van room tot boter. (We weten niet zeker of donkere materie naar boter smaakt, maar de analogie klopt.) Als de dichtheid hoog genoeg wordt, zou de donkere materie de zwaartekrachtgolven kunnen veranderen die worden geproduceerd wanneer zwarte gaten botsen.

Om dit te onderzoeken, bouwden de onderzoekers gedetailleerde simulaties van fusies van zwarte gaten onder veel verschillende omstandigheden, waarbij ze factoren varieerden zoals de massa's en afmetingen van de zwarte gaten, de hoeveelheid omringende donkere materie en de dichtheid ervan. Met behulp van die simulaties voorspelde het team hoe zwaartekrachtgolven zouden verschijnen als zwarte gaten samensmelten in een dichte omgeving van donkere materie in plaats van in een vacuüm, en hielden ze rekening met hoe die golven zouden veranderen terwijl ze miljoenen lichtjaren naar de aarde reizen. Door hun voorspellingen te vergelijken met werkelijke LVK-waarnemingen, was GW190728 de enige gebeurtenis van de 28 die een