NASA’s Nancy Grace Roman ruimtetelescoop bereikt belangrijke bouwtechnische mijlpalen

NASA heeft recent onthuld dat alle ontwerp- en ontwikkelingstechnische werkzaamheden aan de Roman Space Telescope (RST), voorheen de WFIRST, zijn voltooid.  Deze ruimtetelescoop moet astronomen meer inzicht gaan geven in de aard van donkere energie en ook op zoek gaan naar exoplaneten, en zogenoemde ‘weesplaneten’ Aan de telescoop wordt gewerkt door NASA’s Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland, NASA JPL en Caltech. In deze perspublicatie van NASA zegt Julie McEnergy, senior projectwetenschapper bij de Roman Space Telescope het volgende over de vorderingen: “Na het bekijken van onze uitgebreide hardwaretesten en geavanceerde modellering, heeft een onafhankelijk beoordelingspanel bevestigd dat het observatorium dat we hebben ontworpen zal werken.” Nu de basis is gelegd, is het team enthousiast om door te gaan met het bouwen en testen van het observatorium. Jackie Townsend, plaatsvervangend projectmanager voegde toe: “Nu deze beoordeling is voltooid, gaan we de spannende fase in waarin we de vluchthardware die we van plan zijn te gaan gebruiken gaan assembleren en testen.” En vervolgt: “Als al onze vluchthardware klaar is in 2024, houden we het ‘System Integration Review’ en integreren we het gehele observatorium. Ten slotte zullen we de telescoop testen in omgevingen die de lancering en geplande baan simuleren om er zeker van te zijn dat de RST werkt zoals ontworpen.” De missie is gepland om uiterlijk in mei 2027 te lanceren.
Bovenstaande foto toont de  opstelling voor het testen van de ruimteomgeving van de technische ontwikkelingseenheid voor Roman’s Solar Array Sun Shield, die twee doelen zal dienen. Ten eerste zal het elektrische stroom leveren aan het observatorium. Ten tweede zal het de Optical Telescope Assembly, het WFI  en de CGI instrumenten beschermen tegen zonlicht. Credits: NASA/Chris Gunn
De ruimtetelescoop werd in 2010 aanbevolen door het National Research Council van de VS als topprioriteit voor astronomisch onderzoek van het volgende decennium. Werkzaamheden startten in 2011. In 2016 werd de WFIRST goedgekeurd voor ontwikkeling en lancering. De telescoop bezit een 2,4 brede spiegel die stellair licht reflecteert naar beeldsensoren voor verwerking en draagt twee wetenschappelijke instrumenten bij zich. Het Wide-Field Instrument (WFI), dit is een nabij-infraroodcamera, die een beeldscherpte biedt die vergelijkbaar is met die van de Hubble over een gezichtsveld van 0,28 vierkante graden, 100 keer groter dan de beeldcamera’s van de HST. Het Coronagraphic Instrument (CGI) is een camera en spectrometer, met een hoog contrast en een klein gezichtsveld die zichtbare en nabij-infrarode golflengten bestrijkt m.b.v. nieuwe technologie voor het onderdrukken van sterrenlicht. De RST’s primaire missie is gericht op de expansiegeschiedenis van het heelal en de groei van de kosmische structuur met meerdere methoden in overlappende roodverschuivingsbereiken, met als doel het nauwkeurig meten van de effecten van donkere energie. Op 20 mei 2020 kondigde NASA-hoofd Jim Bridenstine aan dat de missie de Nancy Grace Roman Space Telescope zou worden genoemd als erkenning voor de fundamentele rol van Nancy Roman als Chief of Astronomy op het gebied van astronomieonderzoek vanuit de ruimte. De telescoop gaat ook op zoek naar exoplaneten en hun potentieel voor het ondersteunen van leven.

Nancy Roman (1925 – 2018), Goddard Space Flight Center Credits; NASA

Nancy Roman werd geboren in Nashville, Tennessee op 16 mei 1925. Als kind voelde ze zich aangetrokken tot de sterren. Roman vertelde ooit in een korte NASA-documentaire. ‘Ik gaf mijn moeder de schuld omdat ze me altijd mee uit nam en me de sterrenbeelden liet zien en me het noorderlicht liet zien en dat soort dingen.” Roman behaalde een Bachelor of Science in de astronomie aan Swarthmore College en een doctoraat aan de Universiteit van Chicago. In 1955 besloot ze een baan aan te nemen bij het US Naval Research Laboratory, en in 1959 werd ze een van de eerste groep arbeiders die zich bij NASA voegde, als hoofd astronomie en relativiteit bij het Office of Space Science, slechts zes maanden nadat het bureau was opgericht. Bij NASA drong Roman aan op de ontwikkeling van een orbitale telescoop om kosmische straling in de ruimte te meten die anders onmogelijk op aarde te detecteren zou zijn vanwege atmosferische interferentie. Ze heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van vier in een baan om de aarde draaiende astronomische observatoria tussen 1966 en 1972, en hielp bij het opzetten van de International Ultraviolet Explorer, een gezamenlijk NASA/ESA project. Roman speelde ook een centrale rol bij het overtuigen van het congres om de ontwikkeling van de Hubble-telescoop ter waarde van $ 36 miljoen te financieren. In 1998 beschreef Hubble’s hoofdwetenschapper Ed Weiler haar als ‘de moeder van de Hubble-ruimtetelescoop’. Ze stierf op 25 december 2018 een natuurlijke dood – op 93-jarige leeftijd.  Bron: NASA

Zelfwisselwerkende donkere materie: een betere vernietiger van sterrenstelsels

Galaxy cluster MACS J0647.7+7015. Credit: NASA, ESA, and M. Postman and D. Coe (Space Telescope Science Institute), and the CLASH team

“De grootste structuren in het Universum worden niet geleidelijk groter. Eerder gebeurt dit op een epische wijze, waarbij sterrenstelsels of zelfs grotere clusters van sterrenstelsels heftig tegen elkaar botsen. Dit botsen beïnvloedt het sterrenstelsel enorm: er vindt een plotselinge golf van stervorming plaats waarna het sterrenstelsel voorgoed uitdooft, om nooit meer sterren te produceren. Interstellaire wind in de cluster blaast al het overgebleven gas het sterrenstelsel uit in een proces dat bekend staat als ‘ram-pressure stripping’. Ten slotte wordt de donkere materie van het sterrenstelsel langzaam weggetrokken (de ‘stripping’) en samengevoegd met de donkere materie van de cluster. Hierna is er niks meer over van het botsende sterrenstelsel, alle onderdelen zijn opgeslokt door de altijd hongerige en groeiende cluster.”

Het lijkt er nu op dat de zogeheten ‘zelfwisselwerkende donkere materie’ (Self-Interacting Dark Matter, SIDM) beter is in het vernietigen van sterrenstelsels dan koude donkere materie (Cold Dark Matter, CDM) volgens het Standaard Model. Meer daarover weten? Lees dan hier het hele artikel, dat oorspronkelijk geschreven is door Luna Zagorac voor de Astrobites en dat vertaald is door Iris van Gemeren en bewerkt door Matthijs van der Wild

Signaal XENON1T-experiment kwam mogelijk niet van donkere materie maar van… donkere energie

Credit: University of Cambridge

Vorig jaar juni was het even wereldnieuws: in de periode 2016-2018 hadden natuurkundigen met het donkere materie-experiment XENON1T een onverklaarbaar signaal waargenomen (zie de grafiek hieronder), dat mogelijk werd veroorzaakt door axionen, hypothetische ultralichte deeltjes die een kandidaat-donkere materiedeeltje zijn. Het signaal wacht nog op bevestiging door andere experimenten (zoals daar zijn LUX-Zeplin en PandaX-xT), maar er is ook het probleem dat de axionen – áls ze bestaan – de evolutie van zware sterren drastisch veranderen, hetgeen in strijd is met waarnemingen aan die sterren. Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge zijn nu met een nieuwe verklaring gekomen van het signaal: het zou veroorzaakt worden door donkere energiedeeltjes geproduceerd in de zon. Dat is in meerdere opzichten een opvallende verklaring. Ten eerste omdat ze spreken van ‘deeltjes’ donkere energie, hetgeen anders is dan de gangbare gedachte, namelijk dat donkere energie een soort van eigenschap is van de ruimte zelf, een soort van vacuümenergie van de ruimte. Ten tweede omdat donkere materie net als gewone materie door z’n zwaartekrachtswerking aantrekkend werkt, terwijl donkere energie juist afstotend werkt – niet voor niets is donkere energie dé verklaring voor de versnelde uitdijing van het heelal. En tenslotte omdat het XENON1T experiment, dat zich kilometers onder het Gran Sassogebergte in Italië afspeelt, ontworpen is om donkere materie te detecteren en je niet verwacht dat het dat andere mysterieuze goedje uit het heelal vindt, namelijk donkere energie.

Het waargenomen spectrum door XENON1T. De lintjes links die omhoog i.p.v. omlaag gaan zijn het onverklaarbare signaal. Credit: E. Aprile et al.

De natuurkundigen denken dat het bestaan van donkere energie verklaard kan worden door een vijfde natuurkracht, een extra kracht bovenop de vier bekende natuurkrachten (sterke, zwakke en electromagnetische wisselwerking en de zwaartekracht). Deze vijfde kracht zou op kleine schaal onzichtbaar zijn door zogeheten ‘screening mechanisms’ (vertaald: filtermechanismen), zodat wij er in ons lokale heelal niets van merken. Alleen op de allergrootste schaal van het heelal zou de vijfde kracht meerkbaar zijn en wel door de versnelde uitdijing van het heelal. Eén van die mechanismes is wat ze ‘kameleon filtering’ noemen en die zorgt er voor dat de productie van deeltjes donkere energie in de zon, die een relatief hoge dichtheid heeft, gefilterd wordt.

Schematische voorstelling van het binnenste van de zon, met daarin aangegeven waar de tachocline zich bevindt. Credit: Kelvinsong/CC BY-SA 3.0.

Alleen een regio in de zon waar de magnetische velden erg sterk zijn en die de tachocline (zie hierboven) wordt genoemd, zou de deeltjes wel kunnen produceren en het zijn die deeltjes die vervolgens voor het XENON1T signaal hebben gezorgd. Hier is het vakartikel over het onderzoek aan én verklaring van het XENON1T-signaal, verschenen in Physical Review D. Bron: Universiteit van Cambridge.

Drie nieuwe ultralichtzwakke dwergstelsels bij NGC 253 ontdekt

In rood de lokaties van de drie ultralichtzwakke dwergstelsels die ontdekt zijn, in rood de twee eerder ontdekte UDF’s. Credit: Mutlu-Pakdil et al., 2021

Sterrenkundigen hebben met behulp van de Hubble ruimtetelescoop vlakbij het spiraalstelsel NGC 253 drie nieuwe ultralichtzwakke dwergsterrenstelsels (Engels: ultra-faint dwarf galaxies UFD’s) ontdekt. Twee waren eerder al ontdekt (in 2014 en 2016), dus dat maakt dat er nu vijf van die dwergstelsels vlakbij NGC 253 bekend zijn. UDF’s zijn de meest lichtzwakke sterrenstelsels die er zijn en ze bestaan hoofdzakelijk uit donkere materie. Chemisch gesproken zijn ze het minst van alle sterrenstelsels ontwikkeld en daarom beschouwen sterrenkundigen ze dan ook als fossielen uit het vroege heelal. De drie dwergstelsels werden ontdekt in het kader van het Panoramic Imaging Survey of Centaurus and Sculptor (PISCeS) project. Een team van sterrenkundigen onder leiding van Burçin Mutlu-Pakdi (Universiteit van Chigago) doet mee met PISCeS en zij ontdekten de drie UDF’s met behulp van Hubble. NGC 253 is het hoofdstelsel van een cluster van sterrenstelsels genaamd de Sculptor Groep, gelegen op 11,4 miljoen lichtjaar afstand. De stelsels zijn moeilijk zichtbaar (logisch als UDF zijnde), maar door te kijken naar ruimtelijk compacte ‘overdichtheden’ in de sterren kon men de drie ultralichtzwakke stelsels onderscheiden. Het drietal heeft de naam Scl-MM-dw3, Scl-MM-dw4 en Scl-MMdw5 gekregen, ja je raadt het al, de eerdere UDF’s waren Scl-MM-dw1 en Scl-MM-dw2. Hun leeftijd is zo’n 12 miljard jaar, dus het zijn fossiele sterrenstelsels uit de tijd van de reïonisatie in het vroege heelal, toen de allereerste sterren en sterrenstelsels met hun sterke UV-straling zorgden voor de reïonisatie van het neutrale waterstofgas. Scl-MM-dw3 is de kleinste van het drietal, zo’n 362 lichtjaar in straal, 11,34 miljoen lichtjaar van de aarde, 264.000 lichtjaar van NGC 253 verwijderd, met een massa van 110.000 zonsmassa. Scl-MM-dw4 is net zo zwaar als Scl-MM-d3, maar met een straal van 613 lichtjaar is ‘ie wel 70% groter dan Scl-MM-dw3. Hij ligt 13,37 miljoen lichtjaar van ons vandaan en 280.300 lichtjaar van NGC 253 vandaan. Scl-MM-dw5 is met een straal van 1.167 lichtjaar de grootste van de kleintjes en telt 140.000 zonsmassa op de weegschaal. Hij staat op 12,71 miljoen lichtjaar afstand van ons en 313.000 lichtjaar van NGC 253. Hier het vakartikel over de drie UDF’s. Bron: Phys.org.

Unieke detector heeft mogelijk twee zwaartekrachtgolven gedetecteerd van… donkere materie

Onderdelen van de ‘ bulk acoustic wave resonator’. Credit: Universiteit van West Australié.

Door 153 dagen achtereen te meten met een unieke detector die kwarts gebruikt om zwaartekrachtgolven te meten hebben onderzoekers van het ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics (CDM) en van de Universiteit van West Australië in 2019 twee gebeurtenissen gezien die mogelijk zwaartekrachtgolven zijn, die nooit eerder zijn gedetecteerd. Het gaat om zwaartekrachtgolven met een hoge frekwentie en die zouden geproduceerd kúnnen zijn door primordiale zwarte gaten – dat zijn zwarte gaten die ontstaan zijn tijdens de oerknal 13,8 miljard jaar geleden – of door wolken van donkere materie. De resultaten van die eerste onderzoeksfase gedaan met de ‘Bulk Acoustic Wave High Frequency Gravitational Wave Antenna‘ zijn deze maand in Physical Review Letters in dit vakartikel verschenen.

Zwaartekrachtgolven werden voor het eerst in 2015 gedetecteerd en wel met de LIGO en later met de Virgo-detectoren. Maar die golven en ook de latere gedetecteerde golven waren lage frekwentie-golven, die veroorzaakt werden doordat zwarte gaten (of in een enkel geval neutronensterren) tegen elkaar botsten. Maar de ‘bulk acoustic wave resonator‘ (BAW), die gebruik maakt van een kwartskristal, kan ook hoge frekwentiegolven detecteren, die door andere bronnen worden geproduceerd, zoals de genoemde oer-zwarte gaten en wolken van donkere materie. Trillingen in de ruimte die de BAW passeren worden versterkt door een zogeheten superconducting quantum interference device (SQUID) [1]Ik had het in 2009 al een keertje over die SQUID’s. en die maakt het mogelijk om zeer minimale rimpels in de ruimte te detecteren. Men gaat nu verder onderzoeken of het echt zwaartekrachtgolven zijn die zijn waargenomen, want in theorie zou het ook om iets anders kunnen gaan, zoals trillingen veroorzaakt door een passerende meteoor of door de aanwezigheid van geladen deeltjes. Bron: Phys.org.

References[+]

References
1 Ik had het in 2009 al een keertje over die SQUID’s.

Donkere materie: ‘echt spul’ of onbegrepen zwaartekracht? 

Er heerst al jarenlang een tweestrijd onder astronomen en natuurkundigen. Is de mysterieuze donkere materie die diep in het heelal wordt waargenomen nu écht, of zien we de gevolgen van subtiele afwijkingen van de ons bekende zwaartekrachtswetten? In 2016 kwam de Nederlandse natuurkundige Erik Verlinde met een theorie van de tweede soort: emergente zwaartekracht. Nieuw onderzoek, deze week gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics, verlegt de grens van donkerematerie-waarnemingen tot in de onbekende buitenregionen van sterrenstelsels, en legt daarmee verschillende donkerematerie-modellen en alternatieve zwaartekrachttheorieën langs de meetlat.

In het midden het elliptische sterrenstelsel NGC5982, rechts daarvan het spiraalvormige sterrenstelsel NGC5985. Deze twee soorten sterrenstelsels blijken zich heel verschillend te gedragen als het gaat om de extra zwaartekracht – en dus mogelijk de donkere materie – in de buitengebieden van de stelsels. Foto: Bart Delsaert (www.delsaert.com).

Metingen van de zwaartekracht van 259.000 geïsoleerde sterrenstelsels tonen een bijzonder nauw verband aan tussen de bijdrage van donkere materie en die van gewone materie, zoals voorspeld in de emergente-zwaartekrachttheorie van Verlinde en een alternatieve theorie met de naam Modified Newtonian Dynamics. De resultaten lijken echter ook overeen te komen met een computersimulatie van het heelal, die uitgaat van donkere materie als ‘echt spul’.

Het nieuwe onderzoek werd uitgevoerd door een internationale groep sterrenkundigen, onder leiding van Margot Brouwer (RUG en UvA). Verdere belangrijke rollen waren weggelegd voor Kyle Oman (RUG en Durham University) en voor Edwin Valentijn (RUG). Brouwer voerde in 2016 al een eerste test van de ideeën van Verlinde uit; dit keer sloot Verlinde zelf zich ook bij het onderzoeksteam aan.

Materie of zwaartekracht?

Donkere materie is nog nooit direct waargenomen – vandaar ook de naam. Wat astronomen aan de hemel zien zijn de gevolgen van mogelijk aanwezige materie: het afbuigen van sterlicht, het sneller dan verwacht bewegen van sterren, en zelfs effecten die de beweging van hele sterrenstelsels beïnvloeden. Dat al die effecten komen door extra zwaartekracht staat buiten kijf, maar de vraag is: zien we nu de gevolgen van daadwerkelijk aanwezige onzichtbare materie, of zijn het de wetten van de zwaartekracht zélf die we nog niet goed begrijpen?

Om die vraag te kunnen beantwoorden gebruikt het nieuwe onderzoek eenzelfde methode als bij de eerste test in 2016. Brouwer en collega’s maken gebruik van een al tien jaar lopend programma van digitale fotografische metingen met ESO’s VLT Survey Telescope in Chili: de KiloDegree Survey (KiDS). Daarin wordt gemeten hoe sterlicht van ver weg gelegen sterrenstelsels onderweg door de zwaartekracht wordt afgebogen voordat het onze telescopen bereikt. Waar de metingen van zulke ‘lenseffecten’ in 2016 nog een gebied van zo’n 180 vierkante graden aan de hemel bestreken, is de reikwijdte inmiddels uitgebreid tot 1000 vierkante graden, waarmee nu rondom een miljoen verschillende sterrenstelsels de zwaartekrachtverdeling gemeten kan worden.

Vergelijkend warenonderzoek

Brouwer en collega’s selecteerden meer dan 259.000 geïsoleerde sterrenstelsels, waarvan ze de zogeheten ‘Radial Acceleration Relation’ (RAR) konden meten. De RAR vergelijkt de hoeveelheid zwaartekracht die men zou verwachten op grond van de zichtbare materie in een sterrenstelsel, met de hoeveelheid zwaartekracht die daadwerkelijk aanwezig is – oftewel: er wordt bepaald hoeveel ‘extra’ zwaartekracht er bestaat, bovenop die van de normale materie. Tot nu toe was die extra zwaartekracht alleen bepaald tot aan de buitenranden van sterrenstelsels door te kijken naar de beweging van sterren, en tot vijf keer daar voorbij met behulp van metingen van de draaisnelheid van koud gas. Met behulp van de lenseffecten van zwaartekracht slaagden deze onderzoekers er nu in om de RAR voor een honderd keer kleinere zwaartekracht te meten dan voorheen, en daarmee door te dringen tot in de veel verdere buitengebieden van sterrenstelsels.

Daarmee kon de extra zwaartekracht extreem goed gemeten worden – maar is die zwaartekracht nu een gevolg van onzichtbare donkere materie, of zijn het de zwaartekrachtwetten zelf die we moeten aanpassen? Auteur Kyle Oman geeft aan dat de aanname van ‘echt spul’ in elk geval deels lijkt te werken: “We vergelijken de metingen in ons onderzoek met vier verschillende modellen: twee waarin het bestaan van donkerematerie-deeltjes wordt aangenomen waarmee het heelal in computers wordt gesimuleerd, en twee waarin de zwaartekrachtwetten worden aangepast – het emergente-zwaartekrachtmodel van Erik Verlinde en de ‘Modified Newtonian Dynamics’, MOND.

Een van de twee donkerematerie-simulaties, MICE, doet voorspellingen die uitstekend in overeenstemming zijn met onze metingen. We waren verrast dat de voorspellingen van de andere simulatie, BAHAMAS, heel anders waren. Dat er überhaupt een verschil was kwam al als een verrassing, omdat de twee modellen veel overeenkomsten hebben. Maar bovendien hadden we verwacht dat, áls er al een verschil was, BAHAMAS het juist beter zou doen. BAHAMAS is een gedetailleerder model dan MICE, dat nauwkeuriger ons huidige begrip van hoe sterrenstelsels zich vormen in een universum met donkere materie benadert. Toch presteert juist MICE veel beter als we de uitkomsten met de metingen vergelijken. In de toekomst willen we aan de hand van wat we nu gevonden hebben nader onderzoeken wat de reden is voor het verschil tussen de simulaties.”

Een grafiek van de Radial Acceleration Relation (RAR). Op de achtergrond een foto van het elliptische sterrenstelsel M87, om de afstand tot de kern van het sterrenstelsel aan te geven. De grafiek toont hoe de meetwaarden lopen van hoge zwaartekrachtsversnelling in het centrum van het sterrenstelsel, naar lage zwaartekrachtsversnelling ver buiten het sterrenstelsel. Afbeelding: Chris Mihos (Case Western Reserve University) / ESO.

Jonge en oude sterrenstelsels

Daarmee lijkt dus ten minste één donkerematerie-verklaring wél te passen. Ook de alternatieve zwaartekrachtmodellen voorspellen echter de gemeten RAR. Gelijk spel dus, lijkt het, maar hoe weten we nu welk model écht klopt? Margot Brouwer, die het onderzoek leidde, vervolgt: “Na onze eerste tests concludeerden we dat de twee alternatieve zwaartekrachttheorieën en MICE redelijk overeenkwamen met onze waarnemingen. Het spannendste kwam echter nog: omdat we meer dan 259.000 sterrenstelsels tot onze beschikking hadden, konden we ze ook opsplitsen in verschillende types: relatief jonge blauwe spiraalvormige stelsels tegenover relatief oude rode elliptische stelsels.” Die twee typen sterrenstelsels hebben een heel verschillende vormingsgeschiedenis: rode elliptische stelsels ontstaan uit interacties tussen verschillende sterrenstelsels, bijvoorbeeld als twee blauwe spiralen langs elkaar scheren of zelfs samensmelten. Men verwacht binnen de deeltjestheorie van donkere materie dat de verhouding tussen normale en donkere materie in die twee typen sterrenstelsels kan verschillen. Modellen zoals die van Verlinde en MOND gebruiken daarentegen geen donkerematerie-deeltjes, en voorspellen daarom een vaste relatie tussen de verwachte en de gemeten zwaartekracht – onafhankelijk van het type sterrenstelsel. Brouwer: “We ontdekten dat de RAR voor de twee typen sterrenstelsels significant verschilde. Dat zou dus een sterke aanwijzing voor donkere materie als deeltje kunnen zijn.”

Maar er zit nog een addertje onder het gras: gas. Veel sterrenstelsels worden waarschijnlijk omhuld door een diffuse wolk heet gas, die heel moeilijk waar te nemen is. Als er rondom de jonge blauwe spiraalstelsels bijna geen gas zit, maar rondom de oude rode elliptische stelsels juist veel (met grofweg evenveel massa als de sterren), dan zou dat het verschil tussen de RAR van de twee typen sterrenstelsels kunnen verklaren. Om een definitieve uitspraak te doen over het gemeten verschil moet de hoeveelheid diffuus gas dus óók nauwkeurig worden gemeten – en laat dat nu net onmogelijk zijn met de KiDS-telescopen. Er zijn wel metingen gedaan voor een kleine groep van zo’n honderd sterrenstelsels, waarbij inderdaad meer gas gevonden werd rond elliptische sterrenstelsels, maar het is nog de vraag hoe representatief die metingen zijn voor de 259.000 stelsels die in het huidige onderzoek werden bestudeerd.

Donkere materie op voorsprong?

Als blijkt dat extra gas het verschil tussen de twee typen stelsels níét kan verklaren, zijn de resultaten van de metingen met donkerematerie-deeltjes makkelijker voorstelbaar dan aan de hand van alternatieve zwaartekrachtsmodellen. Toch is zelfs dan de wedstrijd nog niet gespeeld. Hoewel het verschil lastig te verklaren is binnen MOND, ziet Erik Verlinde nog wel een uitweg voor zijn eigen theorie. Verlinde: “Mijn huidige model is alleen toepasbaar op statische, geïsoleerde, bolvormige sterrenstelsels, en kan daarmee inderdaad de verschillende typen sterrenstelsels nog niet goed van elkaar onderscheiden. Ik zie deze resultaten dan ook als een uitdaging en inspiratie om aan de slag te gaan met een asymmetrische, dynamische versie van mijn theorie, waarin ook meegenomen kan worden dat sterrenstelsels met een verschillende vorm en vormingsgeschiedenis een verschillende hoeveelheid ‘schijnbare donkere materie’ hebben.”

Zelfs met de nieuwe metingen is de strijd tussen donkere materie als deeltje en alternatieve zwaartekracht dus nog niet beslecht. Toch betekenen de resultaten een enorme stap voorwaarts: als het gemeten zwaartekrachtsverschil tussen de diverse soorten sterrenstelsels klopt, dan zal het juiste model, van welke soort ook, in elk geval nauwkeurig genoeg moeten zijn om dit te verklaren. Veel bestaande modellen zouden dan al direct de prullenbak in kunnen, en dat dunt het landschap van mogelijke verklaringen sterk uit. Daarbij vraagt dit onderzoek om systematische metingen van het hete gas rond sterrenstelsels. Edwin Valentijn formuleert het als volgt: “We hebben als waarnemers het punt bereikt waar we de hoeveelheid extra zwaartekracht rondom sterrenstelsels nauwkeuriger kunnen meten dan hun hoeveelheid zichtbare materie. De tegenstrijdige conclusie is dat we de aanwezigheid van normale materie in de vorm van heet gas rond sterrenstelsels nader zullen moeten onderzoeken, voordat we met toekomstige telescopen als Euclid het mysterie van donkere materie definitief op kunnen lossen.” Bron: Astronomie.nl

Ineenstortende halo’s van donkere materie zouden de ‘zaden’ kunnen zijn voor superzware zwarte gaten

Impressie van een superzwaar zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel. Credit: NASA / JPL-Caltech.

Superzware zwarte gaten zijn er in verschillende groottes, van de exemplaren zoals Sgr A* in het centrum van ons Melkwegstelsel, die ruim vier miljoen keer zo zwaar is, van de mega-superzware exemplaren, zoals M87*, die meer dan zes miljard zonsmassa telt (zie foto hieronder), tot aan de (hypothetische) krankzinnig zwarte gaten. Waarnemingen laten zien dat superzware zwarte gaten in het vroege heelal voorkwamen, pakweg 500 miljoen tot 1,5 miljard jaar na de oerknal. De modellen die er van uit gaan dat zware zwarte gaten ontstaan door aantrekking van materie, de ineenstorting van wolken oerwaterstof en het samensmelten van kleinere zwarte gaten kunnen die vroege verschijning niet verklaren. Maar een team van theoretisch sterrenkundigen van de Universitet van Californië in Riverside is nu met een nieuwe verklaring gekomen: in het vroege heelal zouden halo’s van donkere materie onder invloed van de zwaartekracht ineengestort zijn en dat heeft geleid tot het ontstaan van de ‘zaden’ van superzware zwarte gaten.

Het zwarte gat M87*. Credit: EHT Collaboration.

Dat er donkere materie in het heelal is en dat deze pakweg 85% vormt van alle materie in het heelal is bekend. Hai-Bo Yu en z’n team denken nu dat als donkere materie ook met zichzelf kan reageren – en dat zou in theorie via z’n eigen zwaartekracht kunnen – dan zouden via een zogeheten gravothermische ineenstorting van halo’s van donkere materie zaden van superzware zwarte gaten kunnen ontstaan. Dat donkere materie halo’s vormt is ook bekend, het Melkwegstelsel is vermoedelijk ook omgeven door zo’n grote halo. Op die halo’s zijn twee krachten werkzaam: de aantrekking door de zwaartekracht en de druk naar buiten toe. Als donkere materie niet op zichzelf reageert krijg je dat als de zwaartekracht sterker wordt de (donkere) materie krimpt. Dan wordt de druk groter en neemt de temperatuur toe, en de krimp wordt een halt toegeroepen. Als donkere materie wel reageert op zichzelf krijg je dat bij toenemende zwaartekracht de temperatuur weliswaar stijgt, maar die extra hitte kan dan getransporteerd worden naar koudere gebieden en de druk neemt daardoor niet toe. Resultaat is dan een gravothermische instabiliteit of collaps en dat kan enorm zware zwarte gaten veroorzaken. Die kan daarna verder groeien door aantrekking van gewone materie, zoals gas, sterren en kleinere zwarte gaten.

Voorstelling van donkere materie in de halo om de Melkweg. Credit: Wikipedia.

Dit alles gaat in een veel sneller tempo dan de bestaande modellen, die nog uitgaan van collaps van ouderwetse ‘baryonische’ materie. In het model van Yu speelt ook viscositeit nog een rol: de zelfinteracties van donkere materie kunnen viscositeit of wrijving veroorzaken, waardoor de rotatie van de ineenstortende halo afneemt. Het zaad zwarte gat dat daarna ontstaat zal daardoor niet snel roteren. Hier het vakartikel over het nieuwe model van ontstaan van superzware zwarte gaten in het vroege heelal, verschenen in The Astrophysical Journal Letters. Bron: UC Riverside.

Hubble laat zien dat sommige sterrenstelsels inderdaad donkere materie missen

Het ultrazwakke sterrenstelsel NGC1052-DF2. Credit: NASA, ESA, Z. Shen and P. van Dokkum (Yale University), and S. Danieli (Institute for Advanced Study)

De laatste metingen aan de afstand van het ultra-lichtzwakke sterrenstelsel NGC1052-DF2 (DF2) laten zien dat deze inderdaad een merkwaardig gebrek aan donkere materie heeft, de mysterieuze materie die normaal zo’n 80% van alle materie in het heelal vormt. Metingen met de Hubble ruimtetelescoop laten zien dat die afstand 22,1 +/-1,2 megaparsec bedraagt, zeg ruim 72 miljoen lichtjaar. Een internationaal team van sterrenkundigen onder leiding van Zili Shen, Pieter van Dokkum (Yale University) en Shany Danieli (Institute for Advanced Study) heeft er welgeteld veertig rondjes van Hubble om de aarde plus een “tip of the red giant branch” (TRGB) analyse voor nodig gehad om die afstand exact te berekenen. Die afstandsmeting van UDG’s (ultra-diffuse galaxies) zoals NGC1052-DF4 (DF4) en DF2 is cruciaal, want voor de beantwoording of ze een gewone hoeveelheid donkere materie bevatten of een afwijkende hoeveelheid is die precieze afstand nodig. Eerder werden DF2 en DF2 bestudeerd met de Dragonfly Telephoto Array (DFA) en met behulp van die waarnemingen kon Van Dokkum berekenen hoe hard bolvormige sterrenhopen om de sterrenstelsels vliegen. Die snelheid wees er toen op dat DF2 en DF4 bijna geen donkere materie bevatten. Maar stel dat de afstand tot DF2 en DF4 niet klopt, dan klopt ook de meting niet van de bolhopen om de stelsels en daarmee de schatting van de hoeveelheid donkere materie. Alles hangt dus af van die afstand. Wat blijkt: de Hubble-resultaten geven aan dat de sterrenstelsels iets verder weg liggen dan eerder werd gedacht, wat het bewijs versterkt dat ze weinig tot geen donkere materie bevatten. Voor de beweging van de sterren en bolhopen in en om DF2 was alleen de zichtbare massa voldoende, er was geen noodzaak tot donkere materie om de berekeningen kloppend te krijgen. De afstandsmeting werd ondersteund met de TRGB-methode, waar ik eerder over blogdeHier het vakartikel over de metingen aan DF2, op 9 juni verschenen in Astrophysical Journal Letters (hier de ArXiv versie). Bron: IAS.

Rem op draaiing centrale balk Melkweg bevestiging van donkere materie

Voorstelling van ons Melkwegstelsel. Credit: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons

Ons Melkwegstelsel is een balkspiraalstelsel, een spiraalstelsel niet met een bolvormige centrale verdikking, maar met een lange ‘balk’ in het centrum, een SB stelsel in Hubble’s kwalificatiesysteem. Recent onderzoek door twee sterrenkundigen van de Universiteit College London (UCL) en Universiteit van Oxford laat zien dat die centrale balk sinds het ontstaan van de Melkweg met een kwart langzamer is gaan roteren. Die afname van de rotatiesnelheid werd meer dan dertig jaar geleden al voorspeld (Tremaine & Weinberg, 1984), maar het is nu pas dat die rem ook daadwerkelijk gemeten is. In de gegevens verzameld met de Europese Gaia satelliet keken de sterrenkundigen naar de informatie over de Hercules stroom, een lange sliert van sterren, die in resonantie is met de centrale balk, dat wil zeggen die door de zwaartekracht in hetzelfde tempo om het Melkwegcentrum draait als de centrale balk. Die resonantie is vergelijkbaar met bijvoorbeeld de Trojanen, een groep planetoïden in de baan van Jupiter, die dezelfde snelheid aanhouden als de planeet. Als de snelheid van de centrale balk afneemt zullen de sterren in de Hercules stroom verder van de Melkweg af bewegen, om zodoende dezelfde snelheid te behouden t.o.v. het centrum. En dat is precies wat Rimpei Chiba en Ralph Schönrich konden zien in de Gaia data, dat de sterren in de Hercules stroom steeds verder van het centrum af raken. Dat konden ze meten door te kijken naar de hoeveelheid metalen in de sterren, dat zijn de elementen zwaarder dan helium. Sterren in het centrum van de Melkweg bevatten pakweg tien keer zoveel metalen als sterren in de schijf of de halo van de Melkweg.

Voorstelling van donkere materie in de halo om de Melkweg. Credit: Wikipedia.

De sterren van de Hercules stroom moeten vroeger dus dichterbij het centrum hebben gezeten en dat laat zien dat ze er vanaf bewegen. Op basis hiervan hebben Chiba en Schönrich berekend dat de centrale balk sinds het ontstaan van de Melkweg 24% langzamer is gaan draaien. En dat komt door de remmende werking van de zwaartekracht veroorzaakt door de donkere materie in de halo van de Melkweg. Dát is tegelijk een probleem voor de modellen die geen donkere materie kennen, zoals de MOND theorie, die uitgaat van een aangepaste zwaartekrachtwet. Dergelijke theorieën hebben geen donkere materie in de halo van sterrenstelsels en ze voorspellen dan ook geen of een veel lagere vertraging in de rotatiesnelheid van de centrale balk. En dat is dus in strijd met de waarnemingen die nu gedaan zijn. Hier het vakartikel over de waarnemingen aan de rem op de snelheid van de centrale balk, in augustus te verschijnen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: Phys.org.

Er wordt vol ingezet op detectie van de Kosmische axion Achtergrond

Credit: myersalex216 / Pixabay.

De kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: Cosmic Microwave Background, CMB) kennen we allemaal, de in 1964 ontdekte straling die het restant is van de hete oerknal, waarmee het heelal 13,8 miljard jaar geleden ontstond. De Kosmische Axion Achtergrond (yep, de Cosmic axion Background, CaB) is minder bekend [1]Eerder bespraken we op dit podium ook al eens de Kosmische infrarood Achtergrond en de Kosmische neutrino Achtergrond. Tsjonge, hoeveel achtergronden hebben we wel niet?. Logisch, want die achtergrond is nog hypohetisch, de deeltjes waaruit ‘ie zou moeten bestaan zijn nog helemaal niet gedetecteerd. Dat hypothetische deeltje is het axion, genoemd naar een Amerikaans reinigingsmiddel. Dit hypothetische deeltje werd al in 1977 geopperd om duidelijk te maken waarom neutronen nooit reageren op een electrisch veld, terwijl de quarks waar ze uit bestaan dat wel doen – daar werd de Peccei-Quinn theorie voor in het leven geroepen en die vereiste het bestaan van het axion. Dankzij de axionen kan het neutron elektrisch neutraal zijn en blijven én ze verklaren waarom we niet op grote schaal deeltjes zien die de zogeheten CP-symmetrie schenden (het zogeheten sterke CP-probleem). Prettige bijkomstigheid van het axion – áls het bestaat – is dat het een kandidaat voor de donkere materie is. Bovendien zou het axion inzicht verschaffen in de situatie ten tijde van de eerste paar seconden van de oerknal. Ja, één of twee tellen na de oerknal, dat is andere koek dan de fotonen van de CMB, die dateren van 380.000 jaar na de oerknal.

Credit: Dror et al.

Naar dat axion wordt wereldwijd door diverse teams met evenzovele experimenten en instrumenten gezocht. Zomer vorig jaar was er al groot nieuws toen het XENON1T team bekendmaakte dat ze een mogelijk signaal van axionen hadden gezien. Dat is nooit bevestigd of ontkracht, dus dat nieuws blijft nog even in de la met ongeverifieerde claims. Maar verdere speurtochten, met exotische namen zoals MADMAX, HAYSTAC, ADMX en DMRadio, zijn ook nog gaande. Recent hebben Jeff A. Dror en z’n collega’s (o.a. Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe) al die speurtochten eens doorgerekend om te weten welk massabereik die axionen hebben en welke kosmische vragen de ontdekking daarvan zouden kunnen beantwoorden. De afbeelding hierboven laat het resultaat zien. En dat ziet er  best interessant uit. Hopelijk volgen de antwoorden op de kosmische vragen snel. Hier het vakartikel van Dror et al, verschenen op 7 juni in Physical Review D. Bron: Phys.org.

References[+]

References
1 Eerder bespraken we op dit podium ook al eens de Kosmische infrarood Achtergrond en de Kosmische neutrino Achtergrond. Tsjonge, hoeveel achtergronden hebben we wel niet?