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

Zetelt er in het centrum van de Melkweg mogelijk een klomp donkere materie in plaats van een zwart gat?

In het centrum van de Melkweg zetelt het superzwarte zwarte gat Sagittarius A*, in het bezit van zo een 4 miljoen zonsmassa’s. Astronomen van het International Centre for Relativistic Astrophysics (ICRA, La Sapienza) in Rome hebben recent onderzoek gedaan naar de aard van het zwarte gat. Sgr A* kan niet direct waargenomen worden maar wordt afgeleid van de bewegingen van de sterren die eromheen dwalen. Misschien is een zwart gat niet de enige kandidaat om in het centrum van de Melkweg te zitten, zo opperde het team. Twijfels hierover bestaan al langer, met name gezaaid door het onderzoek aan de G2-gaswolk. Het team voerde computersimulaties uit waarin het ‘zwarte gat-model’ vervangen werd door een klomp donkere materie. Donkere materie is een veronderstelde materie in het heelal (27% van de totale materie/energie-inhoud van het heelal), die niet interageert met EM-straling en dus lastig te detecteren is met optische middelen. Niet zichtbaar, maar de zwaartekracht die wordt veroorzaakt door DM houdt wel de melkwegstelsels en clusters van melkwegstelsels bij elkaar. Een theorie voor de identiteit van DM suggereert dat het is gemaakt van hypothetische deeltjes genaamd ‘darkino’s’. Het ICRA-team ontdekte dat als DM hieruit zou bestaan, het in sommige gevallen nauwkeuriger een reeks waarnemingen in het Melkweg-centrum zou kunnen verklaren, beter dan het zwarte gat. Het wetenschappelijk paper van het team met als eerste auteur Edoardo Becerra-Vergara is op 20 mei j.l. gepubliceerd in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society Letters.

Sagittarius A met Sgr A* Credits; NASA/UMass/D.Wang et al., IR: NASA/STScI

Sgr A* in het centrum van de Melkweg bevindt zich in de samengestelde radiobron Sagittarius A op zo een 25.800 lichtjaar afstand van de Zon. De bron werd Sgr A* genoemd om het te onderscheiden van andere componenten van Sgr A. Sgr A* kan niet direct waargenomen worden maar wordt afgeleid van de bewegingen van de sterren die eromheen dwalen. En misschien is het zwarte gat niet de enige kandidaat om in het centrum van de Melkweg te zetelen. De twijfels werden zeven jaar geleden gezaaid. Een gaswolk, G2, bleek in een baan om Sgr A* te cirkelen, en deze zou begin 2014 gevaarlijk dicht langs het object zou gaan. Astronomen keken vol verwachting toe – en als Sgr A* een superzwaar zwart gat was zoals verwacht, dan zou G2 aan flarden worden verscheurd. Verrassend genoeg overleefde G2 de nadering zonder problemen. Astronomen noemden het een ‘lack of fireworks’ en het leidde tot speculatie dat G2 i.p.v. een gaswolk, een opgeblazen, ‘puffy’, ster zou zijn, met voldoende zwaartekracht om zijn vorm te behouden. De aard van G2 trok ICRA niet in twijfel, maar wel die van Sgr A*. Het team simuleerde het centrum van de Melkweg, als bestaande uit een klomp DM. Deze DM zou bestaan uit darkino’s, neutrale ultralichte deeltjes die behoren tot een groep die fermionen wordt genoemd. Deze darkino’s klonteren in het centrum van de Melkweg en spreiden zich uit in een meer diffuse wolk. Een belangrijk kenmerk van fermionen (i.t.t. bosonen) is dat slechts één van hen tegelijkertijd een bepaalde kwantumtoestand in een bepaalde ruimte kan innemen, wat beperkt hoe dicht ze samen kunnen worden verpakt. Als zodanig is de kern van deze ‘klomp’ een veel minder extreme omgeving dan een superzwaar zwart gat, waardoor G2 ongedeerd heeft kunnen passeren. (M.a.w. als DM bestaat uit darkino’s, en het zijn fermionen, dan zouden deze DM-deeltjes zich slechts tot op zekere hoogte in de kern van een melkwegstelsel concentreren. I.p.v. een superzwaar zwart gat, met een scherp gedefinieerde rand aan de waarnemingshorizon, is er een gigantische bal van dicht opeengepakte darkino’s.)  Maar dat is niet de enige observatie dat het model past. Het team ontdekte ook dat als darkino’s een massa van ongeveer 56 keV hadden, de simulatie nauwkeurig de bewegingen voorspelde van een cluster van nabije sterren genaamd de S-sterren, evenals de rotatiecurve van de buitenste halo van de Melkweg. Al met al is het mysterie nog niet opgelost, en blijft een superzwaar zwart gat de meest waarschijnlijke kandidaat op die positie in de Melkweg, daar het de waargenomen fysische fenomenen op een relatief eenvoudige manier verklaart. Bovendien ziet men zwarte gaten in het centrum van de meeste andere sterrenstelsels. Het team stelt dat verder onderzoek nodig is om hier meer licht op te werpen. Bronnen: LiveScience, EarthSky, New Atlas, ESO

 

Donkere materie toont de bruggen tussen sterrenstelsels in het lokale kosmische web

Het lokale kosmische web in beeld gebracht. X is de plek van het Melkwegstelsel. Credit: Hong et al/Astrophysical Journal.

Een internationaal team van sterrenkundigen is er in geslaagd om de verdeling van donkere materie in de omgeving van het Melkwegstelsel in kaart te brengen en om daarmee de bruggen van (donkere) materie te tonen tussen de sterrenstelsels in het lokale kosmische web. Het kosmische web is het ‘skelet’ van donkere materie in het heelal, dat de grootschalige verdeling van clusters van sterrenstelsels heeft gevormd. Donkere materie zelf is niet zichtbaar, maar de zwaartekrachteffecten ervan zijn wel zichtbaar, onder andere door zwaartekrachtlenzen, verbuigingen van de ruimte door de materie en daarmee van het licht van ver verwijderde sterrenstelsels dat door die gekromde ruimte reist. De sterrenkundigen combineerden een model dat ze hebben gemaakt met waarnemingen uit de ‘Cosmicflow-3 survey’ van 17.000 sterrenstelsels tot een afstand van 200 Mpc (=650 miljoen lichtjaar) van het Melkwegstelsel. De driedimensionale kaart die dat opleverde toont prominente structuren in het lokale heelal, zoals de zogeheten ‘local sheet’, een gebied waartoe de Lokale Groep met de Melkweg en het Andromedastelsel én de Virgocluster horen, en de ‘local void’, een relatief leeg gebied met weinig sterrenstelsels. Veel verbindingen of bruggen tussen (clusters van) sterrenstelsels waren nog niet eerder bekend. Bron: Phys.org.

De duistere kant van donkere materie

MACS 1206. Credit: NASA, ESA, G. Caminha (University of Groningen), M. Meneghetti (Observatory of Astrophysics and Space Science of Bologna), P. Natarajan (Yale University), the CLASH team, and M. Kornmesser (ESA/Hubble)

Donkere materie mag dan wel mysterieus zijn en naar schatting 85% van alle materie in het heelal vormen zónder dat we er iets van zien, het heeft ook een duistere kant, jawel donkere materie heeft ook een duistere, zeg maar gerust eh… donkere kant. We kunnen er namelijk, om het maar even plastisch uit de drukken, ook aan doodgaan, aannemende dat het ook daadwerkelijk bestaat. Dat lijkt zo op het eerste gezicht vreemd, want hoe kan je nou doodgaan aan iets dat met geen mogelijkheid waar te nemen is omdat het totaal niet reageert met de ons bekende materie? Welnu Nirmal Raj, die postdoc is bij het TRIUMF National Lab in de VS, heeft alle ‘mogelijkheden’ eens op een rijtje gezet, waarbij voorop gesteld dat het allemaal theoretische bespiegelingen zijn, gebaseerd op aannames van de identiteit van donkere materie.

  • Carcinogenetische donkere materie: modellen wijzen uit dat donkere materie in ons Melkwegstelsel soms dicht opeengepakt zit in subhalo’s of minihalo’s. Iedere 30 á 100 miljoen jaar zou de aarde door één zo’n wolk vliegen en dan zou alle leven een hogere kans hebben dat één van de cellen in het lichaam een ‘elastische botsing’ ondergaat met een deeltje donkere materie, hoe klein die kans op zo’n botsing ook is (ik heb er in 2012 ook al eens over geschreven). Bij zo’n botsing kan 100–200 keV aan energie overgedragen worden en dat kan kanker veroorzaken. Periodieke massa-extincties van leven zouden hier wellicht een gevolg van kunnen zijn.
  • Eruptieve donkere materie: het zou kunnen dat donkere materie zich ophoopt in de kern van de aarde. Daar zal het op een gegeven moment tot zelf-annihilatie overgaan en de hitte die dat oplevert zorgt voor extra convectie in de mantel, waardoor veel uitbarstingen van vulkanen ontstaan, met allerlei gevolgen daarvan zoals aantasting van de ozonlaag en zure regen.
  • Armageddon donkere materie: bekend is dat het zonnestelsel in haar baan om het centrum van de Melkweg een soort van golfbeweging maakt, soms boven het vlak van de Melkweg uitstijgend, soms eronder zittend. Vooral die passages van het vlak van de Melkweg zelf zijn spannend, want in dat vlak schijnt ook een soort van ‘donkere schijf’ van donkere fotonen te zijn, een hypothetische variant van DM (één van de velen). Iedere 35 miljoen jaar gebeurt zo’n passage en dan vliegt de zon door een donkere schijf van pakweg 10 zonsmassa per vierkante parsec. Het gevolg is dat de ijskoude komeetkernen in de Oortwolk dan door elkaar gehusseld worden en een deel ervan richting binnenste delen van het zonnestelsel afstevent. De gevolgen daarvan kan je raden: inslagen van grote kometen op de aarde. Volgens Lisa Randall kwamen zo de dinosauriërs aan hun einde, dankzij donkere materie eigenlijk.
  • Aarde opetende donkere materie: het lijkt een beetje op die eruptieve donkere materie. Alleen leidt die accumulatie van donkere materie in de kern van de aarde niet tot vulkaanuitbarstingen, maar tot de vorming van een heus zwart gat in de kern. En hoe dat afloopt laat zich raden: slecht! Dit zou overigens ook met de zon kunnen gebeuren, want ook die trekt door z’n zwaartekracht donkere materie aan, dat zich ophoopt in het centrum. Hieronder een voorstelling van zo’n destructief scenario bij de aarde.

    Credit: J. Bramante & A. Goodman.

  • Macro donkere materie: dit lijkt op die ‘carcinogenetische DM’, al gaat het hier om donkere materie die niet bestaat uit een soort elementaire deeltjes, maar uit kleine objecten, die enkele microgrammen tot wel tonnen kunnen wegen. Ook hier is het verhaal: de kans is zéér klein dat je geraakt wordt, maar áls je geraakt wordt kan je ’t niet navertellen.

Bron: Twee artikelen op de blog ParticleBites met daarin weer verwijzingen naar de oorspronkelijke vakartikelen over al die duistere kanten van donkere materie, te weten: Maleficient dark matter Part I and Part II.

De massa van deeltjes donkere materie moet liggen tussen 10-³ eV en 10^7 eV

Credit: Greg Rakozy on Unsplash

Het lijkt zo simpel en toch waren ze er nooit eerder opgekomen: je weet dat donkere materie reageert op zwaartekracht en door dat feit kan je berekenen hoe zwaar de hypothetische deeltjes moeten zijn waaruit donkere materie bestaat. Onderzoekers van de Universiteit van Sussex waren kennelijk de eersten die dat deden en de uitkomst is verrassend: de massa van deeltjes donkere materie moet liggen tussen 10-³ en 10^7 elektronvolt. Dat is een massabereik dat een stuk kleiner is dan wat men eerder als ‘spectrum’ hanteerde voor de mysterieze deeltjes: tussen 10^-24 eV en 10^19 GeV (voor de laatste eenheid: 1 GeV is een miljard eV). In lekentaal: deeltjes donkere materie zijn niet ultralicht, maar ook niet superzwaar. Tweede verrassing: mocht blijken dat de massa van donkere materie toch buiten dit spectrum ligt dan betekent dit dat donkere materie niet alleen reageert op de zwaartekracht, maar ook op een andere kracht. Dat zou de zwakke wisselwerking kunnen zijn, maar het zou ook een natuurkracht kunnen zijn die we nog helemaal niet kennen, een vijfde natuurkracht. Hier het vakartikel (verschenen in Physics Letters B) waarin je ’t allemaal nog eens na kunt lezen op je gemakje. Bron: Eurekalert.

Astronomen willen exoplaneten inzetten als ‘natuurlijke’ donkere materie detectoren

Een team astronomen van de Amerikaanse Cornell Universiteit, Ithaca (NY), heeft recentelijk een gedurfd nieuw plan bepleit om donkere materie op te sporen. Zij stellen voor om exoplaneten, waarvan er meer en meer geïdentificeerd worden, te gebruiken als ‘natuurlijke’ donkere materie detectoren. De onderzoekers geven met dit DM-onderzoek een eigen bijzondere draai aan de zoektocht naar buitenaards leven op exoplaneten. Exoplaneten worden in een steeds sneller tempo ontdekt met behulp van NASA’s Kepler en TESS, en alleen al in de Melkweg verwacht men dat er miljarden tot wel een biljoen exemplaren zijn. En volgens het Cornell Team zouden deze exoplaneten als DM detectoren kunnen dienen. DM is de, tot op heden onzichtbare kandidaat-ingrediënt, die fungeert als ‘lijm’ die sterren, stof en gas in sterrenstelsels bij elkaar houdt. Daar om waarnemingen zoals de rotatie van sterrenstelsels te verklaren, moet het heelal wel een verborgen ingrediënt hebben. Sterclusters, de meest massarijke structuren in het heelal, zijn de grootste opslagplaatsen van DM. M.b.v. geavanceerde computersimulaties hebben astronomen al gezien dat donkere materie zich in de richting van de centra van sterrenstelsels beweegt. En het is deze theoretische verschuiving in dichtheid die astronomen zou moeten helpen bij het identificeren van donkere materie. Het 26 pagina’s tellende wetenschappelijk artikel van het team, Rebecca K. Leane en Juri Smirnov,* over de inzet van exoplaneten als DM-detectoren, is recent geplaats in arXiv.*
Lees verder

SIDM-scenario betere kandidaat voor het vormen van donkere materie-arme sterrenstelsels dan CDM

Een onderzoeksteam bestaande uit astronomen van de Universiteit van Californië, Riverside en de Chinese Tsinghua Universiteit in Peking stellen dat ze een verklaring hebben gevonden voor het nagenoeg ontbreken van DM bij twee ultradiffuse sterrenstelsels, NGC 1052-DF2 en 1052-DF4. Het team heeft vastgesteld aan de hand van computersimulaties dat deze twee sterrenstelsels mogelijk hun massa verliezen door getijdeninteracties met hun gaststelsel NGC 1052. Deze beide sterrenstelsels NGC 1051-DF2 en -DF4 bevinden zich op een afstand van 65 miljoen lichtjaar van de aarde en zijn twee ultra-diffuse (met extreem lage helderheid) sterrenstelsels. Beiden behoren tot de categorie van satellietstelsels en draaien in een baan om een massief en helderder stelsel – NGC 1052. Recente waarnemingen van deze twee satellietstelsels tonen aan dat ze zeer weinig tot geen donkere materie bevatten.
Lees verder

Kosmologen zoomen in op de kleinst mogelijke brokken van donkere materie

Fragment van de simulatie. Het vierkant rechtsboven is 1 miljoen lichtjaar in doorsnee, linksonder 783 lichtjaar. Credit: Sownak Bose, Center for Astrophysics, Harvard University

Gebruikmakend van computersimulaties hebben sterrenkundigen van de Universiteit van Durham onder leiding van Carlos Frenk en Adrian Jenkins, ingezoomd op de kleinst mogelijke brokken van donkere materie in een virtueel heelal. Met die simulaties hopen ze meer te weten te komen over donkere materie en daarmee het echte ‘spul’ te vinden. Het inzoomen op de donkere materie ging zo ver dat het vergelijkbaar is met het zien van een vlieg op de maan vanaf de aarde. De schaal van de donkere materie in de simulatie varieerde van de halo’s van donkere materie bij de clusters van sterrenstelsels tot brokken donkere materie met de massa van de aarde – tussen de grootste en kleinste schaal zit wel twintig ordes van grootte. Over de gehele schaal is de donkere materie (DM) in staat om door annihilatie van deeltjes en antideeltjes DM gammastraling te produceren, hetgeen waarneembaar zou moeten zijn. De massa van de halo’s van donkere materie rondom de clusters kan wel duizend biljoen keer de massa van de zon zijn. In Nature verscheen aan vakartikel over de simulaties van donkere materie. Dat artikel zit helaas achter een paywall, hier een eerdere versie van het artikel, die wel te lezen valt. Bron: Universiteit van Durham.

Nog genoeg massabereik over voor donkere materie

Met de regelmaat van de klok schrijf ik hier over de donkere sector van het heelal, donkere materie en donkere energie, die samen zo’n 95% van de gehele massaenergie van het heelal vormen. Voor het bestaan van donkere materie bestaan talloze indirecte aanwijzingen, maar directe detectie is tot nu toe uitgebleven. Alle ‘null’-resultaten van de speurtochten hebben geen deeltjes donkere materie opgeleverd – geen WIMP’s, axionen, steriele neutrino’s of hoe ze ook mogen heten – maar wel uitsluitingslimieten. Met dat laatste bedoelen ze dat de speurtochten wel het massabereik afbakenen waar de deeltjes zich zouden kunnen ophouden. Ik kwam gisteren onderstaande tweet tegen van Sophia Andaloro, studente astrofysica. Een prachtig tweet, waarin ze aangeeft welk massabereik voor donkere materie nog steeds mogelijk is.

Zoals je ziet gaat het niet alleen om elementaire deeltjes, waar donkere materie uit zou kunnen bestaan, maar ook uit ‘composites’, dus deeltjes of objecten uit meerdere deeltjes bestaande. De rode gebieden in het massaspectrum zijn reeds uitgesloten, de rest is allemaal nog mogelijk. Prachtig, nietwaar?

Hebben de mysteries rondom antimaterie en donkere materie soms iets met elkaar te maken?  

Donkere materie is indirect al aangetoond, zoals in deze clusters van sterrenstelsels, waar het in blauw is weergegeven. Credit: NASA en ESA.

Al tientallen jaren breken sterrenkundigen én natuurkundigen zich het hoofd over antimaterie en donkere materie. De eerste is de materie die opgebouwd is uit antideeltjes, de tweede is de materie die (vermoedelijk) bestaat uit deeltjes die alleen via de zwaartekracht en wellicht ook via de zwakke wisselwerking met gewone deeltjes reageren. Vooralsnog zijn antimaterie en donkere materie één groot mysterie voor de wetenschappers. In theorie zou er net zoveel materie als antimaterie moeten zijn, maar in de praktijk bestaat 99,99% van het heelal alleen uit materie, da’s het mysterie van de antimaterie [1]Preciezer: op elke miljard deeltjes in het heelal komt er één antideeltje voor.. En wat is precies donkere materie, dat alleen indirect aangetoond is, maar waarvan men nog geen enkel direct bewijs heeft, terwijl 85% van alle massa in het heelal donker is (26% van alle massaenergie), zie daar het mysterie van de donkere materie. Onlangs deed een team onderzoekers onder leiding van Stefan Ulmer (International BASE collaboration van het RIKEN Cluster for Pioneering Research) een experiment, dat uitging van een opvallende gedachte: hebben die mysteries rondom antimaterie en donkere materie soms iets met elkaar te maken? Zou het kunnen dat de asymmetrie tussen materie en antimaterie komt omdat antimaterie anders reageert op donkere materie dan materie?

Schematische weergave van een Penning val. Credit: Dhdpla at English Wikipedia

In een laboratoriumexperiment maakte men gebruik van een zogeheten ‘Penning val’ om een enkel antiproton in een magnetisch veld te vangen en te voorkomen dat ‘ie met een gewoon proton zou ‘botsen’ en tot licht zou annihileren (zie de afbeelding hierboven). Daarbij mat men van het antiproton diens ‘spin precessie frequentie’, iets wat normaal gesproken constant zou moeten zijn. Er werd inderdaad geen andere frequentie gemeten, maar in theorie zou het kunnen dat áls antiprotonen reageren op axionen – dat zijn hypothetische lichte deeltjes donkere materie – dat die frequentie dán veranderd. De BASE groep wil nu verder werken aan het gevoeliger maken van de instrumenten om te kijken of een minieme verandering van de frequentie wel meetbaar is. Hier het vakartikel over het experiment, verschenen in Nature (zie ook deze review van dat artikel). Bron: Science Daily.

References[+]

References
1 Preciezer: op elke miljard deeltjes in het heelal komt er één antideeltje voor.