Zwaartekrachtgolven hebben mogelijk een sleutelrol gespeeld bij het creëren van donkere materie tijdens de vroegste momenten van het universum, volgens een nieuwe studie van professor Joachim Kopp van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU) en het PRISMA++ Cluster of Excellence, samen met dr. Azadeh Maleknejad van de Swansea University. Gepubliceerd in Physical Review Letters, introduceert het onderzoek nieuwe berekeningen die wijzen op een voorheen onontgonnen proces waarbij zogenaamde stochastische zwaartekrachtgolven aanleiding kunnen geven tot donkere materie.

Dit werk behandelt een van de grootste onbeantwoorde vragen in de deeltjesfysica. Alles wat we kunnen zien, inclusief planeten, sterren en leven op aarde, is gemaakt van zichtbare materie, maar dit is slechts ongeveer vier procent van het universum. Het grootste deel van de kosmos blijft onzichtbaar, bestaande uit donkere materie en donkere energie. Donkere materie alleen al vertegenwoordigt ongeveer 23 procent van het universum.

Waarnemingen tonen aan dat donkere materie verspreid is door de ruimte, sterrenstelsels en de grootste kosmische structuren vormgeeft. Ondanks zijn enorme invloed weten wetenschappers nog steeds niet waar donkere materie van gemaakt is. Talrijke theorieën en experimenten zijn gaande om de ware aard ervan te ontdekken.

Zwaartekrachtgolven zijn rimpelingen in de ruimtetijd die worden geproduceerd door enkele van de meest energetische gebeurtenissen in het universum, zoals botsingen tussen zwarte gaten of neutronensterren. Niet alle zwaartekrachtgolven komen echter van zulke dramatische gebeurtenissen. Een ander type, bekend als stochastische zwaartekrachtgolven, ontstaat uit een reeks processen waarbij geen massieve objecten betrokken zijn.

Deze golven zijn veel zwakker en maken deel uit van het achtergrondsignaal dat het universum vult. Velen van hen zijn extreem oud, daterend uit de vroegste fasen na de oerknal. Ze kunnen zijn gegenereerd tijdens belangrijke momenten in de kosmische geschiedenis, waaronder faseovergangen toen het universum afkoelde of van primordiale magnetische velden.

"In dit artikel onderzoeken we de mogelijkheid dat zwaartekrachtgolven – waarvan wordt aangenomen dat ze alomtegenwoordig waren in het vroege universum – gedeeltelijk worden omgezet in donkere materiedeeltjes," legde Kopp uit. "Dit leidt tot een nieuw mechanisme van donkere materieproductie dat nog niet eerder is onderzocht."

De studie suggereert dat deze vroege zwaartekrachtgolven fermionen hadden kunnen produceren die aanvankelijk weinig of geen massa hadden. Fermionen zijn een brede klasse van deeltjes waaronder bekende voorbeelden zoals elektronen, protonen en neutronen. Volgens de onderzoekers kunnen deze vroege fermionen later massa hebben gekregen en zijn geëvolueerd tot de donkere materiedeeltjes die vandaag de dag bestaan.

"De volgende stap in het ontwikkelen van deze onderzoekslijn is om verder te gaan dan onze analytische schattingen en numerieke berekeningen uit te voeren om de nauwkeurigheid van onze voorspellingen te verbeteren. Een andere weg voor toekomstig onderzoek is het onderzoeken van verdere mogelijke effecten van zwaartekrachtgolven in het vroege universum. Een voorbeeld hiervan zou een mechanisme kunnen zijn dat het bekende verschil in deeltjes en antideeltjes zou kunnen verklaren," zei Kopp.