De Fermi-telescoop heeft een duidelijke waarneming gedaan van overtollige γ-straling in het centrum van ons eigen sterrenstelsel, dat er niet-bolvormig en afgeplat uitzag. Deze overtollige γ-straling, ook wel Galactic Centre Excess (GCE) genoemd, is een mogelijk kenmerk van donkere materie, ontstaan als gevolg van zelfannihilaties van zwak interagerende massieve deeltjes (WIMP's), een kandidaat voor donkere materie. De overtollige γ-straling die in het galactische centrum wordt waargenomen, kan echter ook te wijten zijn aan oude millisecondepulsars (MSP's). Tot nu toe werd aangenomen dat de morfologie van de GCE als gevolg van donkere materie (DM) bolvormig zou zijn. Een recente simulatiestudie laat zien dat de morfologie van gammastraling als gevolg van DM aanzienlijk niet-bolvormig en afgeplat zou kunnen zijn. Dit betekent dat zowel hypothesen over donkere materie (DM)-annihilaties als over millisecondepulsars (MSP's) voor de waargenomen GCE evengoed mogelijk zijn. De gammastraling die vrijkomt bij de annihilatie van donkere materie (DM) zou een extreem hoog energieniveau hebben van ongeveer 0.1 tera-elektronvolt (TeV). Standaard gammastralingtelescopen kunnen deze hoogenergetische fotonen niet rechtstreeks detecteren. Bevestiging van het donkere materie (DM) model van galactische centrumoverschot (GCE) zou daarom mogelijk zijn na voltooiing van onderzoek door tera-gamma-observatoria zoals Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) en Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO).
Het verhaal van donkere materie begon in 1933, toen Fritz Zwicky opmerkte dat de snelbewegende sterrenstelsels in de Coma Cluster niet bij elkaar kunnen blijven en stabiel kunnen blijven zonder de aanwezigheid van extra materie die op de een of andere manier onzichtbaar is, maar voldoende zwaartekracht uitoefent om te voorkomen dat sterrenstelsels uiteenvallen. Hij bedacht de term "donkere materie" om naar dergelijke onzichtbare materie te verwijzen. In de jaren 1960 leverde Vera Rubin een baanbrekende bijdrage aan ons begrip van donkere materie. Ze merkte op dat de sterren aan de buitenranden van Andromeda en andere sterrenstelsels draaiden met een snelheid die even hoog was als de snelheid van de sterren richting het centrum. Voor de gegeven som van alle waargenomen materie zou het sterrenstelsel uit elkaar moeten zijn gevlogen, wat de aanwezigheid van extra onzichtbare materie noodzakelijk maakt die de sterrenstelsels bij elkaar houdt en ervoor zorgt dat ze met hoge snelheden roteren. Haar metingen van rotatiecurven van het Andromedastelsel leverden het eerste bewijs voor donkere materie.
We weten nu dat donkere materie niet interageert met licht of elektromagnetische krachten. Het absorbeert, reflecteert of zendt geen licht of andere elektromagnetische straling uit en is onzichtbaar, vandaar de term donker. Maar het clustert gravitationeel en heeft gravitationeel effect op gewone materie, en zo wordt de aanwezigheid ervan in de ruimte over het algemeen afgeleid. Sterrenstelsels worden in evenwicht gehouden door het gravitationele effect van donkere materie, die maar liefst 26.8% van de massa-energie-inhoud van het heelal uitmaakt, terwijl het gehele waarneembare heelal, inclusief alle baryonische gewone materie waaruit wij allen bestaan, slechts 4.9% van het heelal uitmaakt. De resterende 68.3% van de massa-energie-inhoud van het heelal is donkere energie.
Wat donkere materie werkelijk is, is niet bekend. Er zijn geen fundamentele deeltjes in de Standaard Model hebben eigenschappen die nodig zijn om donkere materie te zijn. Mogelijk maken hypothetische "supersymmetrische deeltjes" die partners zijn van de deeltjes in het Standaardmodel donkere materie. Misschien bestaat er een parallelle wereld van donkere materie. WIMP's (Weakly Interacting Massive Particles), axionen of steriele neutrino's zijn veronderstelde deeltjes buiten het Standaardmodel die belangrijke kandidaten zijn. Er is echter nog geen succes geboekt bij de detectie van dergelijke deeltjes.
Er zijn verschillende projecten (zoals XENON-experiment, DarkSide-20k Project, EURECA-experiment, en RES-NOVA) momenteel in ontwikkeling voor de directe detectie van donkere-materiedeeltjes. Dit zijn meestal detectoren voor vloeibare edelgassen of cryogene detectoren die ontworpen zijn om zwakke signalen van interacties tussen donkere-materiedeeltjes te detecteren. Ondanks vele nieuwe benaderingen is echter nog geen enkel project in staat geweest om direct een deeltje van donkere materie te detecteren.
Voor het indirecte bewijs van donkere materie kan men zoeken naar gravitationele effecten van donkere materie, zoals Fritz Zwicky en Vera Rubin deden om donkere materie te ontdekken door te bestuderen hoe sterrenstelsels bijeen worden gehouden ondanks onevenredig hoge snelheden voor de waargenomen gewone materie. De gravitationele effecten van lensing (afbuiging van licht) en effecten op de beweging van sterren in de ruimte kunnen ook indirect bewijs leveren voor de aanwezigheid van donkere materie. Daarnaast kunnen annihilatieproducten (zoals gammastraling, neutrino's en kosmische straling) die ontstaan wanneer donkere materiedeeltjes in de ruimte met elkaar botsen, ook wijzen op de aanwezigheid van donkere materie. Een van de locaties waar donkere materie werd voorspeld op basis van annihilatieproducten van donkere materiedeeltjes is het centrum van ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg.
Detectie van donkere materie in het centrum van ons thuissterrenstelsel de Melkweg
Er waren aanwijzingen voor een overmatige diffuse centrale microgolfgloed in het centrum van de Melkweg (MW). Deze overmatige gloed werd toegeschreven aan synchrotronemissie van relativistische elektronen en positronen, gegenereerd tijdens de annihilatie van donkere materie in WIMP-straling. Een uitgebreid diffuus gammastralingsignaal in het energiebereik tot enkele honderden GeV werd voorspeld. Vervolgens detecteerde de Fermi-Large Area Telescope (LAT) het gammastralingsignaal, dat werd geïdentificeerd als het overschot van het galactische centrum (GCE). Al snel werd gerealiseerd dat het overschot van het galactische centrum (GCE) ook te wijten kon zijn aan oude neutronensterren (millisecondepulsars). Men dacht dat de morfologie van de GCE belangrijk zou zijn: een symmetrische, bolvormige GCE zou duiden op gammastraling afkomstig van de vernietiging van donkere materie (DM)-deeltjes, terwijl een afgeplatte morfologie van de GCE zou wijzen op gammastraling afkomstig van millisecondepulsars (MSP).
Uitgebreide observatie van het Melkwegcentrum met de Fermi-Large Area Telescope (LAT) toonde een afgeplatte asfericiteit. Normaal gesproken zou men de waargenomen asfericiteit associëren met oude sterren (MSP), maar een recente studie, gepubliceerd op 16 oktober 2025, concludeerde dat de morfologieën van de GCE, voorspeld door zowel oude sterren (MSP) als donkere materie (DM) annihilatiemodellen, niet van elkaar te onderscheiden zijn.
Om de verdeling van de donkere materie te bestuderen, voerden de onderzoekers een simulatie uit van de morfologie van MW (Melkweg)-achtige sterrenstelsels. Ze ontdekten dat de halo's van donkere materie rond de sterrenstelsels, evenals rond de centrale gebieden van de sterrenstelsels, zelden bolvormig waren, zoals aangenomen in het anisotrope model. In plaats daarvan toonde de analyse een afgeplatte donkere materie-dichtheidsprojectie voor alle sterrenstelsels. Deze niet-axiaal symmetrische verdeling van donkere materie (DM) werd ook aangetoond door de samensmeltende geschiedenis van Melkwegstelsels in de eerste drie miljard jaar in de geschiedenis van het heelal. De waargenomen morfologie van GCE is afgeplat over het centrale gebied, wat over het algemeen wordt beschouwd als kenmerkend voor de verdeling van oude sterren (MSP's). De nieuwe studie heeft aangetoond dat de donkere materie (DM) een vergelijkbare boxachtige verdeling genereert. Dus, zowel hypothesen over donkere materie (DM) annihilaties als milliseconde pulsars (MSP's) voor de waargenomen GCE zijn evengoed mogelijk.
Of de waargenomen GCE te wijten is aan donkere materie (DM) of aan millisecondepulsars (MSP's), zal bekend worden wanneer gammastralingsobservatoria zoals Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO) en Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO) in de toekomst hun onderzoek naar tera-gammastraling afronden. De gammastraling die ontstaat als annihilatieproduct van donkere materie (DM) in het centrum van de Melkweg, bestaat uit ultrahoogenergetische fotonen met een extreem hoog energieniveau van ongeveer 0.1 tera-elektronvolt (TeV). Standaard gammastralingstelescopen kunnen deze hoogenergetische fotonen niet rechtstreeks detecteren. Tera-gammastraling zal een belangrijk doelwit vormen voor toekomstige gammastralingsobservatoria zoals CTAO en SWGO.
Deze studie is een stap voorwaarts in de detectie van donkere materie in de ruimte via de annihilatieproducten ervan. De aanwezigheid van donkere materie in het centrum van de Melkweg zou echter in de toekomst moeten worden bevestigd door ultrahoge-energie-gamma-observatoria zoals CTAO of SWGO. Een veel belangrijkere vooruitgang in de wetenschap van donkere materie zou de directe detectie van elk DM-deeltje zijn.
***
Referenties:
- Hochberg, Y., Kahn, YF, Leane, RK et al. Nieuwe benaderingen voor de detectie van donkere materie. Nat Rev Phys 4, 637–641 (2022). https://doi.org/10.1038/s42254-022-00509-4
- Misiaszeka M. en Rossib N. 2024. Directe detectie van donkere materie: een kritische review. Symmetry 2024, 16(2), 201; DOI: https://doi.org/10.3390/sym16020201
- Instituto de Física Corpuscular. Op zoek naar donkere materie: een nieuwe benadering voor het detecteren van het onzichtbare. 22 augustus 2025. Beschikbaar op https://webific.ific.uv.es/web/en/content/search-dark-matter-new-approach-detecting-invisible
- Muru MM, et al. 2025. Fermi-LAT galactische centrum-excessmorfologie van donkere materie in simulaties van de Melkweg. Physical Review Letters. 135, 161005. Gepubliceerd op 16 oktober 2025. DOI: https://doi.org/10.1103/g9qz-h8wd Preprintversie op arXiv. Ingediend op 8 augustus 2025. DOI: https://doi.org/10.48550/arXiv.2508.06314
- Johns Hopkins University. Nieuws – Mysterieuze gloed in de Melkweg zou bewijs kunnen zijn van donkere materie. Geplaatst op 16 oktober 2025. Beschikbaar op https://hub.jhu.edu/2025/10/16/mysterious-glow-in-milky-way-dark-matter/
- Leibniz Instituut voor Astrofysica. Nieuws – Melkweg vertoont overschot aan gammastraling door annihilatie van donkere materie. Geplaatst op 17 oktober 2025. Beschikbaar op https://www.aip.de/en/news/milkyway-gammaray-darkmatter-annihilation/
- Fermi Gammastraling Ruimtetelescoop. Beschikbaar op https://science.nasa.gov/mission/fermi/
- Cherenkov Telescope Array Observatory (CTAO). Beschikbaar op https://www.ctao.org/emission-to-discovery/science/
- Het Southern Wide-field Gamma-ray Observatory (SWGO). Beschikbaar op https://www.swgo.org/SWGOWiki/doku.php?id=swgo_rel_pub
- Observatorium van Tartu. De donkere kant van het heelal. Beschikbaar op https://kosmos.ut.ee/en/dark-side-of-the-universe
***
, this excess γ-ray is a possible signature of dark matter arising as a product of self-annihilations of weakly interacting massive particles (WIMPs), a dark matter particle candidate. However, the excess γ-ray observed at the galactic centre may also be due to old millisecond pulsars (MSPs). Hitherto, it was held that the morphology GCE due to dark matter (DM) would be spherical. A recent simulation study reveals that gamma-ray morphology due to DM could be significantly nonspherical and flattened. This means both dark matter (DM) annihilations and millisecond pulsars (MSPs) hypotheses for the observed GCE are equally possible. The gamma rays produced in the annihilation of dark matter (DM) would have an extremely high energy level of approximately 0.1 tera-electron-volts (TeV). The standard gamma-ray telescopes cannot detect these high-energy photons directly. Hence, confirmation of dark matter (DM) model of Galactic Centre Excess (GCE) would be possible upon completion of studies by the tera γ-ray observatories like CTAO and SWGO.){kind=link}