24 juni 2024

Cluster El Gordo laat zien dat donkere materie mogelijk met zichzelf reageert

Fragmenten uit de numerieke simulatie van El Gordo. Credit: Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202348000

El Gordo (Spaans voor ‘de Dikke’) is een gigantische cluster van sterrenstelsels, nee wat zeg ik, het zijn  twee clusters van sterrenstelsels die met elkaar in botsing zijn. Officieel heet ‘ie ACT-CL J0102-4915 en de clusters hebben een totale massa van pakweg 2100 biljoen (!) zonsmassa, da’s 2,1 x 10^15 zonsmassa. De clusters staan op zeven miljard lichtjaar afstand, dus pakweg toen het heelal half zo oud was als nu (13,8 miljard jaar inmiddels). Recent heeft de sterrenkundige Riccardo Valdarnini (van SISSA’s Astrophysics and Cosmology group) er onderzoek naar gedaan en wel middels numerieke simulaties om er achter te komen wat er gaande is in El Gordo. De conclusie van zijn onderzoek is opmerkelijk: het kan zijn dat donkere materie in staat is om met zichzelf te reageren, dat je dus ‘self-interacting dark matter’ (SIDM) hebt.

El Gordo, gefotografeerd met Chandra. Credit: X-ray: NASA/CXC/Rutgers/J. Hughes et al; Optical: ESO/VLT & SOAR/Rutgers/F. Menanteau; IR: NASA/JPL/Rutgers/F. Menanteau

Bij de studie van El Gordo keek Valdarnini naar de fysieke afstand tussen de punten waar de donkere materie en de gewone (‘baryonische’) materie hun hoogste dichtheid hebben. De donkere materie in El Gordo is weliswaar niet direct zichtbaar, maar dankzij de zwaartekrachtlenzen in en om de cluster is toch te meten hoeveel donkere materie er is en hoe deze ruimtelijk verdeeld is. De gangbare gedachte van natuurkundigen is dat donkere materie 90% van alle materie in het heelal vormt en dat het ‘koude donkere materie’ (CDM) is, materie die langzaam beweegt en die alleen via de zwaartekracht met andere deeltjes reageert, de zwakste van de vier natuurkrachten.

Bij extreem grote botsingen zoals die gaande is in El Gordo worden drie componenten onderscheiden: het gas tussen de sterrenstelsels dat door de botsing wordt samengedrukt, de sterrenstelsels zelf en de donkere materie. Door de botsing zal het gas een deel van z’n oorspronkelijke energie verliezen en het resultaat is dat ruimtelijk gezien de piek met de hoogste dichtheid van het gas achter raakt bij de piek van de sterrenstelsels en donkere materie. Bij gewone CDM zouden de pieken van de sterrenstelsels en donkere materie gelijk op moeten trekken, maar in het SIDM-model zou daar ook verschil in moeten optreden. En dat is nu precies wat Valdarnini heeft waargenomen in El Gordo, ‘a physical separation of dark matter centroids—its maximum density points—from those of other mass components‘.

credit: NASA, ESA and Jee et al. 2014

Er zijn in El Gordo twee grote zware subclusters zichtbaar, de northwestern (NW) en de southeastern (SE) clusters, die de foto hierboven. Op de foto gemaakt met Chandra van El Gordo zien we het gas in de SE-cluster dat door de hoge temperatuur röntgenstraling uitzendt en dat naar rechtsboven twee staarten lijkt te hebben. De röntgen-piek blijkt ruimtelijk voor te lopen op de piek van donkere materie bij SE. Het zogeheten ‘Brightest Cluster Galaxy’ (BCG) in SE blijkt ook iets af te liggen van de ‘SE mass centroid’, van de plek met de hoogste dichtheid van materie. Ook in de NW cluster blijkt er een verschil in afstand te zijn tussen de lokatie van de grootste sterrenstelsels en de plek met de hoogste massadichtheid.

Credit: NASA, ESA, CSA, J. Diego (Instituto de Física de Cantabria), B. Frye (University of Arizona), P. Kamieneski (Arizona State University), T. Carleton (Arizona State University), and R. Windhorst (University of Arizona), A. Pagan (STScI), J. Summers (Arizona State University), J. D’Silva (University of Western Australia), A. Koekemoer (STScI), A. Robotham (University of Western Australia), and R. Windhorst (University of Arizona))

Om de waargenomen verschillen in de pieken van de drie componenten te kunnen verklaren heeft Valdarnini zogeheten N-body/hydrodynamische simulaties uitgevoerd om te kijken of hij de waarnemingen met theoretische modellen kon reproduceren. Daar kwam uit dat bij de modellen waarbij donkere materie zelf-reagerend is, d.w.z. ook met zichzelf kan reageren, de beste resultaten werden behaald. In extreme omstandigheden zoals in de gigantische botsing die gaande is in El Gordo zouden deeltjes donkere materie dus in botsing met elkaar kunnen komen.

Meer hierover valt te lezen in het vakartikel van R. Valdarnini, An N-body/hydrodynamical simulation study of the merging cluster El Gordo: A compelling case for self-interacting dark matter?Astronomy & Astrophysics (2024).

Bron: Phys.org.

Share

Speak Your Mind

*