Simulatie van een halo van donkere materie. Credit: Wikipedia via CC BY-SA 3.0
Sterrenkundigen zijn al decennia op zoek naar donkere materie, de mysterieuze onzichtbare vorm van materie, die alleen merkbaar is via zijn zwaartekracht en die 27% vormt van alle massa-energie in het heelal, meer dan vijf keer zoveel als gewone materie. Maar alle speurtochten hebben tot nu toe niets opgeleverd. Maar Deense onderzoekers denken nu dat er een manier is om het toch te detecteren en wel door te kijken naar 21 cm straling uit het vroege heelal.
De 21 cm lijn
De 21 cm straling een emissielijn die ontstaat door de zogenaamde spin-flip, als de spin van een elektron dat om de kern van een waterstofatoom cirkelt eerst dezelfde spin als die kern heeft en daarna door de uitzending van een foton van spin veranderd, de spin-flip of het omklappen van de spin genoemd (zie de afbeelding hieronder). Zo’n spin-flip gebeurt heel zelden, volgens de wetten van de kwantum-mechanica is de halfwaardetijd zo’n tien miljoen jaar. Maar omdat er zoveel neutraal waterstof in het heelal is moet dat toch te zien zijn en moeten al die waterstofatomen als kleine radiozendertjes te zien zijn, aldus de Nederlander v.d. Hulst, die er als eerste over sprak in 1944.
De oorsprong van de 21 cm lijn. Credit: Tiltec/Wikipedia.
Op grote schalen is de invloed van donkere materie merkbaar en wel door de zwaartekrachteffecten die het heeft op structuren zoals clusters en superclusters van sterrenstelsels. Maar wellicht is de invloed ook merkbaar en wel op de allerkleinste schaal, die van atomen. En da’s precies wat Jo Verwohlt en zijn team van de Universiteit van Kopenhagen onderzocht hebben. Zij denken dat donkere materie zichtbaar zou moeten zijn door te kijken naar de roodverschoven 21 cm emissielijn van waterstof uit het vroege heelal. Ze baseren zich hierbij op de hypothese dat donkere materie kan reageren met de zogeheten donkere straling, ook wel bekend als donker elektromagnetisme of donkere fotonen. Net zoals gewone fotonen de drager zijn van de EM-kracht tussen geladen deeltjes, zo zouden donkere fotonen de drager zijn van de interactie tussen deeltjes donkere materie onderling.
Donkere straling zou het dichte vroege heelal kunnen hebben verwarmd, omdat hete donkere straling in wisselwerking stond met donkere materie, waardoor de temperatuur ervan steeg. De opwarming kan voldoende zijn geweest om grote concentraties halo’s van donkere materie te vormen, hypothetische gebieden waarin de donkere materie door zwaartekracht gebonden is en zich heeft losgekoppeld van de uitdijing van het heelal, plaatselijk met elkaar verbonden en in plaats daarvan als geheel uitdijend. zoals sterrenstelsels en clusters vandaag de dag.
Deze halo’s zouden tijdelijk en herhaaldelijk weerstand bieden aan het instorten door de zwaartekracht, cycli die ‘donkere akoestische oscillaties’ worden genoemd [1]Niet te verwarren met de ‘gewone’ Baryonische Akoustische Oscillaties, de BAO’s – akoestisch omdat het fluctuaties in de dichtheid zijn, net zoals geluidsgolven fluctuaties zijn in de dichtheid van lucht of een andere vloeistof.
Deze halo’s zouden hun effect moeten hebben gehad op de 21 cm lijn van waterstof en wel op afstanden met een roodverschuiving z > 10, d.w.z. in het vroege heelal (korter dan 1 miljard jaar na de oerknal). Verwohlt en zijn team denken dat met een radiotelescoop zoals HERA in Zuid-Afrika anderhalf jaar waarnemen van de 21 cm-lijn voldoende zou moeten zijn om die invloed van de donkere materiehalo’s te meten.
Meer over de 21 cm lijn en donkere materie is te vinden in het vakartikel van Jo Verwohlt et al, Separating dark acoustic oscillations from astrophysics at cosmic dawn, Physical Review D (2024).
Bron: Phys.org.
Voetnoten
| ↑1 | Niet te verwarren met de ‘gewone’ Baryonische Akoustische Oscillaties, de BAO’s |
|---|
Onze eigen Melkweg is al 13,5 miljard jaar geleden ontstaan, dus daar bevindt zich dus donkere materie van dezelfde leeftijd. Waarom zo moeilijk doen als je die oude DM ook in je achtertuin kunt vinden….