26 augustus 2019

Is donkere materie soms een supervloeistof?

De Bullet cluster (1E 0657-56).

Bijna 85% van alle materie1 in het heelal bestaat uit de mysterieuze donkere materie, de rest is gewone materie van protonen, neutronen en elektronen, te vinden in de vorm van sterren, planeten, gas- en stofnevels, mensen, planten, dieren, koelkasten en andere accessoires. Dát donkere materie bestaat weten we uit talloze indirecte aanwijzingen, zoals galactische rotatiecurves en zwaartekrachtslenzen, wát donkere materie is weten we nog niet. Ruwweg zijn er twee verklaringen voor donkere materie, namelijk dat het een vorm van materie is, die maar heel zwak reageert op gewone, bekende materie, óf dat de zwaartekrachtswetten van Newton en Einstein niet kloppen en dat er een modification of gravity (MOG) nodig is. De meeste sterren- en natuurkundigen hangen de eerste verklaring aan, met koude, donkere materie (Engelse afkorting: ‘CDM’) in de vorm van Weakly Interactive Massive Particles (WIMP’s) als favoriete model, een klein clubje hangt de tweede verklaring aan, waarbij de Modified Newtonian Dynamics het bekendste model levert. Beiden hebben hun voor- en nadelen. Zo kan CDM moeilijk omgaan met de Tully-Fisher relatie tussen de helderheid van sterrenstelsels en de snelheid van sterren in hun buitenregionen, terwijl MOND (zie afbeelding hieronder) slecht de distributie van donkere materie in clusters van sterrenstelsels kan verklaren, zoals waargenomen in de Bullet-cluster (zie afbeelding hierboven).

MOND kan de galactische rotatiecurves beter verklaren dan de zwaartekrachtswet van Newton.

In een recent verschenen artikel van de natuurkundigen Lasha Berezhiani en Justin Khouryn genaamd A Theory of Dark Matter Superfluidity worden de twee verklaringen min of meer gecombineerd, een soort ‘best of both worlds’. Volgens Berezhiani en Khouryn moet donkere materie beschouwd worden als een supervloeistof, een kwantumvloeistof die in het vroege heelal gecondenseerd moet zijn geweest in ‘plassen’ (Engels: ‘puddles’), van waaruit de sterrenstelsels van gewone materie moeten zijn ontstaan. Superfluïditeit is een bekend verschijnsel in de natuurkunde, waarbij vloeistoffen bij zeer lage temperaturen geen viscositeit vertonen, dat wil zeggen dat hun stroperigheid of ‘traagvloeibaarheid’ verdwenen is, zoals het geval bij helium II.

Supervloeibaar helium in een glas kruipt vanzelf over de rand en loopt naar beneden. Onder het glas vormt het een druppel en valt naar beneden. Zo loopt alle helium eruit tot het glas leeg is.

In hun artikel komen Berezhiani en Khouryn met een vergelijking, waarin zowel het deeltjeskarakter van donkere materie naar voren komt als een MOG, een aangepaste zwaartekrachtswet. Met de vergelijking worden de genoemde nadelen van de twee afzonderlijke verklaringen gecorrigeerd. Op kleine schalen zoals van ons zonnestelsel zou de supervloeistof z’n kwantumeigenschappen verliezen en zou alle zwaartekracht volledig verklaard kunnen worden door Newton-Einstein, die eigenschappen komen pas naar voren op de galactische schaal, terwijl op de schaal van clusters van stelsels Newton-Einstein weer acte de presence geven. Oorzaken van dit wisselende optreden van donkere materie als supervloeistof: de temperatuur, die op galactische schaal het laagste is, op de schaal van het zonnestelsel en clusters hoger is, en de zwaartekracht van gewone materie, die op de schaal van het zonnestelsel dominant is ten opzichte van de zwaartekracht van donkere materie.

In een roterend glas met supervloeistof ontstaan wervelingen.

In een roterend glas met supervloeistof ontstaan wervelingen.

Berezhiani en Khouryn komen met een voorspelling die het mogelijk maakt hun theorie te toetsen aan de werkelijkheid met behulp van waarnemingen: supervloeistoffen roteren niet graag, probeer maar eens te slingeren aan een emmer met supervloeibaar helium, het zal niet roteren. Wel zullen er door behoud van impulsmoment wervelingen ontstaan (zie afbeelding hierboven) en dát is wat ze voorspellen: dat er in de donkere materie van onze Melkweg wervelingen zullen zijn, die waarneembaar zijn. Niet bekend is hoe die wervelingen van invloed zullen zijn op gewone materie, dus dat moet uitgezocht worden. Bron: Backreaction.

  1. Kijk je niet naar materie, maar naar massa-energie (dus de combinatie massa en energie, je weet wel, E=mc²), dan is er een andere verdeling: dan bestaat 4,9% van het heelal uit gewone materie, 26,8% uit donkere materie en maar liefst 68,3% uit donkere energie, zo blijkt uit de waarnemingen met de Europese Planck sonde aan de kosmische microgolf-achtergrondstraling. []

Reacties

  1. Enceladus Enceladus zegt

    In dit kader is dit ook wel interessant: http://arxiv.org/abs/1309.5707

    groet,
    Gert (Enceladus)

    • Inderdaad, interessant. Sabine Hossenfelder van Backreaction (zie bron) wijst erop dat er al eerder verbanden zijn gelegd tussen donkere materie en supervloeistof, maar dat die allemaal wat tekortkomingen hadden. In het nieuwe model zou dat niet meer het geval zijn. Wellicht is het artikel waar jij aan refereert er nog eentje met die tekortkomingen. Waar ikzelf nog mee worstel is het feit dat supervloeistoffen alleen voorkomen bij zeer lage temperatuur (millikelvin), maar dat deze in het vroege heelal al moeten hebben bestaan als plassen, waaruit sterrenstelsels ontstonden. In het vroege heelal was het toch een tikkeltje warmer zou ik zeggen, sterker nog, zelfs nu is het heelal nog 2,7K, te warm voor supervloeistoffen.

      • Enceladus Enceladus zegt

        Tenzij – en nu ga ik zwaar speculeren – het vroege heelal niet ontstaan is door de Big Bang, maar op een andere (voor ons nu nog niet voor te stellen) manier. Dan zou die extreem lage temperatuur er toch al geweest kunnen zijn.

        Staat 100% vast dat supervloeistoffen niet kunnen bestaan bij 2,7K?
        En geldt dat niet voor supervloeistoffen bestaande uit normale materie?
        Zou het niet zo kunnen zijn dat dark matter aan andere wetten kan voldoen?

        Gevoelsmatig (en dat is dus niet echt wetenschappelijk, ik weet het…), denk ik dat Hossenfelder et al op het goede spoor zitten. Zeer interessant!

        groet,
        Gert (Enceladus)

  2. Misschien heeft men er nooit naar gekeken en bevat het mengsel Waterstof-Helium wel een (top-)azeotroop,
    waarbij ook die superfuïdale eigenschappen te voorschijn komen…
    (Ik durf ook wel een duit in het zakje der speculaties te werpen. )

    Mocht de Donkere Materie inderdaad wel uit gewone maar superfuïdale Waterstof en/of Helium bestaan, dan moet/mag Arie die blog van vorige week nog maar even dunnetjes overdoen…
    https://www.astroblogs.nl/2015/08/10/trage-dood-van-het-heelal-kaart-gebracht/

    … want plots is er 7x zo veel brandstof om het heelal ‘nog een jaar’ te verlichten. 😛

    Groet, Paul

  3. TeVeS is definitief dood?

    Mies

  4. Leuk, was mijn vergelijking met een vloeistof in verband met de zwaartekracht (https://www.astroblogs.nl/2015/03/07/waarom-de-zwaartekracht-zo-ontzettend-zwak-deel-ii/
    zo gek nog niet. Dat slaat wellicht ook nergens op, maar ….
    Dit item over supervloeistof toont maar weer eens aan dat de astronomie vol verrassingen / wendingen zit
    het onmogelijke kan mogelijk (en omgekeerd) zijn.

  5. Filip D'heer zegt

    Kan het niet zijn dat we dit niet letterlijk als een supervloeistof moeten opvatten maar eerder in de metaforische zin?
    Ik geef een voorbeeld. Als ik met een lepel in een gewone vloeistof zoals water, thee of koffie roer dan ontstaat er een soort mini-draaikolk. als ik hetzelfde zou doen in een super-vloeistof ontstaat er geen draaikolk( hooguit enkele mini draaikolkjes). De lepel heeft als het ware minder vat op de super-vloeistof.
    Kan het niet zijn dat men bedoelt dat materie en de natuurwetten minder vat hebben op de donkere materie en dat men dit vergelijkt met een super-vloeistof. hierdoor zou dan de discussie over de temperatuur van de “super-vloeistof” komen te vervallen. Het zou dan gaan om materie van een heel andere soort dan wij kennen.

    • Enceladus Enceladus zegt

      Mmm, daar zit wel iets in. ‘Matter, but not as we know it.’

      groet,
      Gert (Enceladus)

    • Dat is precies mijn idee: meer in metaforische zin. Dat het, zoals eerder in deze discussie werd gesuggereerd, daadwerkelijk om supervloeibaar waterstof en/of helium zou gaan lijkt me onwaarschijnlijk. Men had dat m.i. dan al lang waargenomen, bijvoorbeeld via een absorptiespectrum.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: