24 augustus 2017

Donkere materie had minder invloed in sterrenstelsels in het vroege heelal

Vergelijking van draaiende schijfstelsels in het verre en het huidige heelal

Nieuwe waarnemingen wijzen erop dat tijdens de hoogtijdagen van het ontstaan van sterrenstelsels, 10 miljard jaar geleden, zware sterren-vormende stelsels werden gedomineerd door baryonische oftewel ‘normale’ materie. Dat is in schril contrast met de huidige sterrenstelsels, waarin de geheimzinnige donkere materie de overhand lijkt te hebben. Dit verrassende resultaat, verkregen met ESO’s Very Large Telescope, suggereert dat donkere materie in het vroege heelal minder invloedrijk was dan nu. De resultaten van het onderzoek verschijnen in vier artikelen, waarvan er één vandaag in Nature is gepubliceerd.

De materie die wij in het heelal zien bestaat uit helder stralende sterren, gloeiend gas en wolken van stof. Maar de ongrijpbare donkere materie straalt geen licht uit en absorbeert of weerkaatst het ook niet – zij is alleen waarneembaar via de zwaartekracht die zij op haar omgeving uitoefent. De aanwezigheid van donkere materie kan verklaren waarom de buitenste delen van nabije spiraalstelsels sneller draaien dan je zou verwachten als de stelsels volledig uit normale materie zouden bestaan1.

Galactische rotatiekrommen in het nabije en verre heelal.

Nu heeft een internationaal team van astronomen, onder leiding van Reinhard Genzel van het Max-Planck-Institut für extraterrestrische Physik in Garching, Duitsland, de instrumenten KMOS en SINFONI van ESO’s Very Large Telescope in Chili2 gebruikt om de rotatie te meten van zes zware, sterren-vormende stelsels in het verre heelal, op het hoogtepunt van de vorming van sterrenstelsels, 10 miljard jaar geleden.

Daarbij hebben ze een intrigerende ontdekking gedaan: anders dan bij spiraalstelsels in het huidige heelal, lijken de buitenste delen van deze verre stelsels langzamer te draaien dan de delen dichter bij de kern. Dat wijst erop dat er minder donkere materie aanwezig is dan verwacht.3

‘Verrassend genoeg zijn de rotatiesnelheden in de sterrenstelsels niet constant, maar nemen ze naar buiten toe af,’ aldus Reinhard Genzel, hoofdauteur van het artikel in Nature. ‘Dat heeft waarschijnlijk twee oorzaken. Allereerst worden de meeste van deze vroege zware sterrenstelsels gedomineerd door normale materie, en speelt donkere materie een veel kleinere rol dan in het lokale heelal. Op de tweede plaats waren de schijven van deze vroege stelsels veel turbulenter dan de spiraalstelsels die we in onze kosmische nabijheid zien.’

De beide effecten lijken sterker tot uiting te komen naarmate astronomen dieper het vroege heelal in kijken – verder naar het verleden dus. Dit wijst erop dat het aanwezige gas zich drie tot vier miljard jaar na de oerknal al op efficiënte wijze had georganiseerd in platte, draaiende schijven, terwijl de omhullende halo’s van donkere materie zich nog over een veel groter volume uitstrekten. Kennelijk duurde deed de donkere materie er miljarden jaren langer over om zich te verdichten, waardoor haar dominante uitwerking pas nu tot uiting komt.

Deze verklaring is in overeenstemming met waarnemingen die laten zien dat vroege sterrenstelsels veel gasrijker en compacter waren dan de huidige sterrenstelsels.

De zes sterrenstelsels die bij dit onderzoek in kaart zijn gebracht, maken deel uit van een grotere steekproef van honderden verre, sterren-vormende schijfstelsels die met KMOS en SINFONI in beeld zijn gebracht. Naast de hierboven beschreven metingen van afzonderlijke sterrenstelsels, is van de zwakkere signalen van de overige stelsels een gemiddelde rotatiekromme gemaakt. Deze laatste vertoont dezelfde afname van de rotatiesnelheid naar buiten toe. Ook twee andere onderzoeken van 240 sterren-vormende schijven bevestigen deze bevindingen.

Gedetailleerde modelberekeningen laten zien dat waar de onderzochte stelsels bij elkaar voor ongeveer de helft uit normale materie bestaan, het ESO.

Noten
  1. De schijf van een spiraalstelsel draait heel langzaam rond: één rotatie duurt honderden miljoenen jaren. In de kern van zo’n stelsel zitten de sterren heel dicht op elkaar, maar naar buiten toe neemt de dichtheid van de heldere materie af. Als zo’n stelsel geheel uit normale materie zou bestaan, zouden de dunbevolktere buitengebieden langzamer moeten draaien dan de opeengepakte gebieden in het centrum. Maar waarnemingen van nabije spiraalstelsels laten zien dat hun buitendelen ongeveer net zo snel draaien als hun binnendelen. Deze vlakke ‘rotatiekrommen’ geven aan dat spiraalstelsels grote hoeveelheden niet-lichtgevende materie bevatten, in de vorm van een halo van donkere materie die de galactische schijf omhult. []
  2. De geanalyseerde gegevens zijn verkregen in het kader van de surveys KMOS3D en SINS/zC-SINF. Het is voor het eerst dat de dynamische eigenschappen van een groot aantal sterrenstelsels met roodverschuivingen van z~0,6 tot 2,6 (een tijdspanne van 5 miljard jaar) zo uitgebreid is onderzocht. []
  3. Dit nieuwe resultaat zet geen vraagtekens bij de noodzaak van donkere materie als fundamenteel bestanddeel van het heelal of bij de totale hoeveelheid materie. Het wijst er alleen op dat de donkere materie in en rond schijfstelsels vroeger anders was verdeeld dan nu. []

Reacties

  1. Kan er gesproken worden van een andere correlatie dan hierboven gemeld? Waarnemingsafstand is een factor? Dit is toch wel interressant.
    Bij je 3e voetnoot: Hoe verder je kijkt, des te minder DM?

  2. Wellicht heeft het iets te maken met het feit dat deze stelsels veel minder massa hadden vanwege de vroege generaties sterren met minder zware elementen.

  3. Ik kan mij (als hobbyist) vergissen. Maar volgens mij heb je voor fusie temperatuur nodig, welke middels druk, door massa verdeeld over een oppervlak wordt veroorzaakt. Het maakt niet uit of het Zero-Metal stars zijn. Je hebt nog steeds dezelfde (minimale) massa nodig voor nucleo-synthese.

    Het zou anders impliceren dat verre, (oude) sterren allemaal minder massa hebben dan die dichterbij staan.

    Véel interressanter dan de verkiezingen, dit nieuwtje.

    Mies.

  4. Uitstekend, komt overeen met mijn gedachtegang dat de uitdijing van het heelal door het ontstaan van donkere materie en donkere energie IN zwarte gaten vanuit “gewone materie” voortgang vindt. En dat verklaart ook de versnelling van het heelal. In het begin nog maar weinig en voortschrijdend in de tijd kan door ineenstorting van alsmaar meer hemellichamen alsmaar meer donkere materie en donkere energie geproduceerd worden en de versnelling verder doorgaan. Totdat er een punt komt totdat de brandstof (de baryonische materie) onvoldoende wordt om de uitdijing gaande te houden. Donkere energie vormt daarbij dan de grote drijvende kracht achter deze uitdijing.

  5. rob heijd zegt:

    De wonderen zijn de wereld nog niet uit 🙂

  6. Wybren de Jong zegt:

    Er wordt nu ook interessant onderzoek gedaan naar ‘donkere energie’ op atomaire schaal:
    misschien is de onderlinge afstoting van virtuele deeltjes daarvoor verantwoordelijk.
    Het volgende artikel gaat over een onderzoek van atomen die in een ring ‘in de file’ staan
    en is getiteld: ‘Atomic beltway could solve problems of cosmic gravity’
    https://www.sciencedaily.com/releases/2016/11/161114142521.htm

  7. Als ik het goed heb begrepen…. volgens Erik Verlinde is zwaartekracht een gevolg van de entropie van ruimte tijd.
    Quote uit 1* : “Met emergente zwaartekracht is donkere materie niet nodig, in de buurt van gewone materie (zoals bij sterrenstelsels) zou emergente zwaartekracht zich precies zoals de zwaartekracht van Newton en Einstein gedragen, maar in lege ruimte zou de zwaartekracht zich gedragen álsof er donkere materie is. ”

    Voortbordurend hier op ís er geen donkere materie. DM lijkt te bestaan op lege plekken.
    Laat er 10 miljard jaar geleden nu minder lege plekken zijn geweest, eenvoudig weg omdat in de afgelopen miljarden jaren het heelal (de ruimte) is geëxpandeerd, niet de hoeveelheid materie daarin. Dat DM minder invloed had in sterrenstelsels in het vroege heelal is hiermee volledig in lijn.

    Er is eenvoudig weg nog nooit iets geweest wat DM is, laat staan dat het invloed had.
    Wel komt er steeds meer lege ruimte(als gevolg van de blijvende expansie), dus rekenkundig lijkt het alsof er steeds meer DM komt.
    [ Goddank hoeven toekomstige ruimtereizigers niet te vrezen om tegen een berg DM op te knallen met hunner raketje. 😉 ]

    Volgens mij is het hierboven gevonden effect keurig in lijn met artikelen van Erik Verlinde en Sabine Hossenfelder.

    Groet, Paul

    1* – http://www.astroblogs.nl/2017/03/11/even-wat-dm-dingetjes-op-een-rijtje/

    • evandijkenevandijken zegt:

      @Obelix:

      “maar in lege ruimte zou de zwaartekracht zich gedragen álsof er donkere materie is.”
      Wat bedoel je hiermee?

      Denk je dat het er op lijkt dat aantrekkingskracht materie nodig heeft (hoe weinig ook) om zich te kunnen manifesteren?

      Vriendelijke groet,
      Erivc

      • Het is een rechtstreekse quote uit de link onder mijn reactie.
        Hoe een en ander precies werkt is mij onbekend, daarvoor zou je de theorie van Erik Verlinde moeten raadplegen. [ Ik ben ook slechts een geïnteresseerde leek, sorry.]

        Groet, Paul

  8. De aangehaalde theorie van E. Verlinde is inmiddels al in de prullenbak beland, als zijnde niet correct.

    Ik vindt dit artikel júist zo interressant, omdat er naar mijn idee een totaal andere connectie boven komt drijven: Hoe verder de afstand des te meer de rotatiecurves veranderen.
    Aangezien wij niet het centrum van het universum zijn, is dit toch wel opmerkelijk.
    Ik heb geen idee of er wel eens onderzoek is geweest naar de eigenschappen van de rotatiecurves, ten opzichte van de afstand waarop het waargenomen object zich bevindt.

    Ik suggerreer dat het hem in de afstand zit. Ga ik er vanuit dat de waarneming vervormd wordt door een proces dat sterker wordt naarmate de waarnemings afstand toeneemt, dan ligt het voor de hand dat dit effect het meest zichtbaar is aan de randen van het sterrenstelsel of cluster. (Immers het midden van een gelijkzijdige driehoek (bissectrice) ligt op een kleinere afstand dan de lange zijden).

    We kijken door een glas water waarvan we de brekingsindex niet kennen.

    Mies

  9. Verlinde al zo snel naar af? Dat zou dan erg snel zijn. Ik wil niets uitsluiten, of niet oordelen, o.m. omdat ik er te weinig van snap om nu al te (ver)oordelen) ….

    Wij zijn niet het centrum van het universum, ja, maar het universum is niet uniform in de tijd: het ziet er ver weg (vroeger) anders uit dan dichtbij (nu). Dan lijkt het inderdaad alsof we het centrum zijn, maar eigenlijk is dat gezichtsbedrog.

    Als de vervorming toeneemt met de afstand, is het dan niet bizar dat we weinig (of geen?) DM “nodig hebben” waar de vervorming groter is en meer waar de vervorming kleiner is? Dat lijkt mij DM eerder te bevestigen dan te ontkrachten. Het effect van DM is dichtbij/nu immers veel duidelijker dan veraf/toen.

  10. @ HC:

    “we show that the predictions for the secular advances of Solar System planets’ perihelia are discrepant with the data by seven orders of magnitude, ruling out the present emergent gravity weak-field formula with high confidence”.

    Laatste alinea: https://arxiv.org/abs/1702.04358

    In het geval van “ja maar”; het alternatief zou zijn dat er éen zwaartekrachtwet is voor de schaal van een zonnestelsel, en éen voor kosmische schalen.

    Tot slot: Een proces dat een waarneming vervormd kan beide kanten opgaan.

  11. @ Mies

    Bedankt voor de link. Ik wil het allemaal best geloven, maar op basis van één abstract van één artikel kan ik moeilijk inschatten hoe groot de schade – if any – voor Verlindes theorie eigenlijk is. Als het allemaal zo overtuigend fataal was, waarom heb ik er dan nog niets over gehoord of
    gelezen? Wat op zich niets zegt, natuurlijk, in welke richting dan ook.

    Wat je bedoelt met “het geval van ‘ja maar’ ” begrijp ik niet zo goed, maar het slaat, denk ik, op de conclusie van het geciteerde artikel, en niet op iets wat ik zei. Twee zwaartekrachtwetten, voor verschillende schalen, lijken mij ook niet meteen de bedoeling, maar misschien gaat het om één wet die lokaal andere effecten heeft dan op kosmische schaal én daar ook een goede verklaring voor geeft. In Aries artikel hierboven is trouwens geen sprake van zwaartekracht in zonnestelsels versus op kosmische schaal, wel over (de kennelijke effecten van DM) in verre dan wel nabije sterrenstelsels (of als je wilt, die van heel vroeger tegenover die van nu).

    De vervorming kan twee kanten opgaan, zeg je. Niet als je weet waar de vervorming groter is, en ik denk dat je dat hier moeilijk in twijfel kunt trekken. In dit geval geeft het meest vervormde beeld minder DM te zien, het minst vervormde meer (bij wijze van spreken, want rechtstreeks ‘zien’ doen we het goedje nu net niet). Welk van de twee wil je dan corrigeren voor de vervorming? Kortom, dit is meer DM-bevestigend dan DM-verwerpend. Enfin, voorzichtig gezegd, DM of ‘whatever it is’ dat zorgt voor de effecten waarvoor we DM gebruiken als verklaring.

  12. Verlindes theorie heeft ook problemen met de Bulletcluster. Hij gaf dit IIRC al vrij snel zelf toe.
    Dan zitten we nog met een verhaal van Sean Carrol, die er in tegenstelling tot mij, wél echt verstand van heeft.
    Verlindes theorie is moeilijk te rijmen met acoustic oscillations in de CMB. Filmpje-( begint vanaf 11.20, timer telt terug)
    http://www.preposterousuniverse.com/blog/2016/11/11/talking-about-dark-matter-and-dark-energy/

    MCN Mies.

  13. Laat Verlinde’s theorie niet perfect zijn en niet alles verklaren, dat maakt men nog niet onjuist.

    De huidige theorie over zwaartekracht moet zeker wel voor perfect door gaan?
    Alleen hebben we dan plots wel heel veel DM nodig, wel 5à6 keer zoveel als we barionische materie als we kunnen vinden?
    En waarom kunnen we die DM zo slecht vinden? ( Simpel : het is er niet ! )

    Nu heeft men een correlatie gevonden : hoe verder weg (hoe ouder het heelal) des te minder krachtig de DM is.
    Of hoe ouder het heelal, des te minder DM er is. Ohhhh !!!!

    Was alle DM er dan nog niet bij de BB, en ook later zo’n 10 miljard jaar geleden [ 4 mjd jaar na BB ] was ‘alle’ huidige DM er nog niet. Waar komt die DM dan vandaan? Hoe is die geëvolueerd?
    welk proces maakt DM?

    Dus volgens de huidige zwaartekrachtstheorie zijn er obscure deeltjes (DM). En die ontstaan kennelijk bij een al net zo obscure proces. En het worden er in de tijd gezien steeds meer. 😉

    – – –
    Dan zet ik m’n geld liever op een Erik-Verlinde-achtige theorie.
    Er zijn geen DM deeltjes.
    Lege ruimte heeft zijn eigen zwaartekrachtseffecten*

    [ * In een artikel over de verklaring waarom de fotonen van SN 1987A langzamer gingen dan de lichtsnelheid(!), wordt gesproken over de vorming van een virtueel tijdelijk elektron/positron paar en de annihilatie daar weer van. Tijdens de bestaan van het virtuele paar, is de snelheid uiteraard minder dan die van c, hoe zou echte materie op c kunnen reizen?
    – Mijn punt is dat een dergelijk vorming misschien ook wel kan gebeuren met virtuele barionische materie tot gevolg….. En plots : er is wat zwaarte kracht in de lege ruimte, waar je dat niet zou verwachten!

    Ik denk niet dat dit de “emergente zwaartekracht” is waar Verlinde op doelt.
    Ook lijkt mij het effect van af-en-toe wat (virtuele) zwaartekracht hier voldoende om 4à5 maal de hoeveelheid werkelijke barionische massa te simuleren.
    Maar toch : ALLE fotonen van SN1987A kwamen ‘te laat’, wel 3 uur later dan de neutrino’s. Zo vaak gebeurd die ‘ompoling’ van fotonen naar virtuele paren toch wel.]

    Groet, Paul

  14. Die bezwaren tegen Verlinde’s theorie, zoals de accoustische oscillaties in het vroege heelal en de Bulletcluster zijn eerder al naar voren gekomen in mijn blogs over de standpunten van andere wetenschappers tegenover Verlinde’s theorie, zie deel 1 en deel 2.

  15. Folkert zegt:

    Kan ik me wel in vinden Rinus.

    2 dingen borrelen op bij mij als ik het artikel lees.

    a) DM is blijkbaar iets wat in de loop der tijd toeneemt / ontstaat / wordt gevormd …, dat zou dus best wel iets met ZwarteGaten te maken kunnen hebben.

    b) Blijkbaar is er een soort ondergrens aan het voorkomen van zwaartekracht. Wordt de ruimte te leeg verdwijnt de zwaartekracht bij een bepaald minimum en neemt de DM toe…….?????

  16. @Paul, Ik zou me niet zo focussen op het woordje Dark Matter, maar focussen op een onbekende factor die zorgt dat de natuurwetten van Newton afwijken van de waarnemingen. M. Milgrom focust op Mond, die deze wetten aanpast met de missende factor, anderen zoals Verlinde noemen DM gewoon anders, maar het is en blijft gewoon dezelfde ontbrekende factor die men nu nog simpel oplost door plaatselijk extra zwaartekracht toe te voegen door middel van wat virtuele massa, want die factor is een feit hoe je het ook noemt.

    • Hallo Nico, bedankt voor je reactie.

      Ik heb inderdaad het idee dat het om “MATTER” gaat; een of andere vorm van deeltjes(!) die de onbekende factor leveren.
      Misschien is dat mijn fout, maar in allerlei ‘papers’ (niet dat ik die lees, te hoog gegrepen,,,) en reactie/blogs gaat het vaak om deeltjes die men zoekt… Of althans dat is mijn indruk.
      WIMPS, AXIONEN of Bijzondere Neutrino’s of misschien heeft iemand anders nog een exotischer oplossing als 4e generatie of zelfs spiegeldeeltjes….?

      En hoe kan het ook anders : krachten worden gedragen/over gebracht door deeltjes.
      [ Behalve, ja dat is nu weer vervelend, het graviton is (nog) niet gevonden… Welk deeltje brengt de zwaartekracht over? 😀 ]
      – – –

      Het meest bijzondere lijkt nu toch wel dat de hoeveelheid DM na verloop van tijd lijkt te groeien.
      De onbekende factor wordt meer en ontstaat kennelijk (pas) na verloop van tijd.
      Ik zal moeten afwachten wat ‘men’ vindt, want zelf zoeken kan ik niet. 😀

      Groet, Paul

  17. Als ik voetnoot 3 bij het artikel van Arie goed lees (en bepaalde commentaren elders) is het niet zo dat DM toeneemt, wel dat het mysterieuze goedje vroeger anders verdeeld was dan nu. Niet dat er daarmee meer antwoorden dan vragen zouden zijn … 🙂

Laat wat van je horen

*