Uit nieuwe wetenschappelijke gegevens blijkt dat donkere materie vreemder is dan we dachten

Voor zover wetenschappers kunnen zien, is slechts 5% van het universum zichtbaar, inclusief de aarde, de zon en andere sterren en sterrenstelsels, die bestaan ​​uit protonen, neutronen en elektronen die tot atomen zijn samengepakt. De rest bestaat volgens NASA uit een onzichtbare substantie die donkere materie wordt genoemd (27%) en een kracht die de zwaartekracht afstoot, bekend als donkere energie (68%).

Onlangs hebben wetenschappers gewerkt aan een recept voor de vorming van sterrenstelsels, waarbij ze computersimulaties hebben uitgevoerd met behulp van onze kennis over hoe het universum is geëvolueerd, maar het gedrag van donkere materie hebben aangepast om te zien wat er zou kunnen gebeuren. Donkere materie blijkt vreemder te zijn dan we dachten.

Meer informatie: Lisanti-groep

Sommige astronomen hebben zich onlangs tot de algemeen bekende theorieën over complexe donkere materie gewend

Afbeeldingscredits: NASA

Afbeeldingscredits: NASA

Het beste kosmologische model dat we hebben van hoe het universum de vorm aannam die we vandaag de dag zien, heet lambda-CDM. Dit wiskundige model van de Big Bang-theorie gaat ervan uit dat het universum uit 3 componenten bestaat: gewone materie, een nog steeds mysterieuze energie die donkere energie wordt genoemd, en koude donkere materie.

Vanwege enkele problemen met theorieën over koude donkere materie hebben sommige astronomen en wetenschappers zich tot complexe modellen van donkere materie gewend. Sommige omvatten een mengsel van koude en warme donkere materiecomponenten, terwijl andere gepaard gaan met zelfreactie, verval of vernietiging van de donkere materie.

In scenario's met koude donkere materie interageren deeltjes alleen via de zwaartekracht, maar in veel van deze convergerende nieuwe ideeën zijn andere interacties mogelijk.

Mariangela LisantiDe deeltjesfysicus van de Universiteit van Princeton en haar team verbeteren het recept voor de vorming van sterrenstelsels door computersimulaties uit te voeren met behulp van onze kennis over hoe het universum is geëvolueerd, maar door het gedrag van donkere materie aan te passen om te zien wat de resultaten zijn. Wetenschappers hebben geprobeerd erachter te komen wat er zou gebeuren als donkere materie complexer zou zijn dan onderzoekers gewoonlijk aannemen. Lisanti verving een klein deel van de standaard donkere materie door iets meer synthetisch. “We dachten dat we er maar 5 procent aan toe zouden voegen en dat alles goed zou komen. En toen hebben we de melkweg kapotgemaakt.”

Afbeeldingscredits: Slank

Afbeeldingscredits: NASA

Het team ontdekte dat het omzetten van slechts 5% van de koude donkere materie in complexere typen het onmogelijk maakte om de Melkweg te vormen. “Ik denk dat dat een interessante les was. We moeten heel voorzichtig zijn als we nadenken over nieuwe modellen. Je hoeft niet veel andere vormen van donkere materie aan je modellen toe te voegen om de astrofysica te verpesten”, legt Lisanti uit.

Lisanti en haar collega's zijn niet de enigen die het mysterie van donkere materie proberen op te lossen. David Curtin, een theoreticus aan de Universiteit van Toronto in Canada, ontwikkelt een andere vorm van supersymmetrie. Het veronderstelt dat alle materie wordt getransformeerd in een dubbele reeks deeltjes: elk met zijn eigen reeks krachten, in plaats van de krachten hetzelfde te houden. Dit betekent dat de tweelingdeeltjes geen interactie kunnen hebben met hun klassieke neven door andere krachten dan de zwaartekracht, waardoor ze donkere materie worden, maar toch met elkaar kunnen interageren.

Curtin noemt dit atomaire donkere materie. “Atomische donkere materie lijkt erg op de onze; Hij legde uit dat het afkoelt, instort, schijven vormt en sterren vormt – donkere sterren. Dit lijkt misschien een vreemd concept, maar het onzichtbare sterrenstelsel zal een unieke signatuur hebben die we met toekomstige telescopen kunnen zien.

Als de onderzoeker gelijk heeft, zullen de donkere sterren een schijfachtige galactische structuur hebben gevormd die licht door de zwaartekracht zal afbuigen in een proces dat microlensing wordt genoemd. Het effect hiervan zorgt ervoor dat achtergrondsterren tijdelijk helderder worden. “Als je een microlenssignaal vindt en dit is gecentreerd in de schijf van de Melkweg, dan is dat een zeer sterke indicatie van atomaire donkere materie”, legt Curtin uit.

Mark Vogelsberger van MIT en Alison Brooks van de Rutgers Universiteit in New Jersey doen iets soortgelijks: het testen van de vele mogelijke combinaties van donkere materiedeeltjes en krachten om het recept te vinden dat sterrenstelsels produceert zoals degene die we waarnemen.

Hoewel wetenschappers hebben gemeten dat donkere materie ongeveer 27% van het universum uitmaakt, weten ze nog steeds niet zeker wat het is

Afbeeldingscredits: Vera C. Rubin Observatorium

Afbeeldingscredits: Vera C. Rubin Observatorium

Hoewel wetenschappers nog steeds aan het concept van donkere materie werken, is het belangrijk te vermelden dat astronomen zich tot de 20e eeuw niet bewust waren van het bestaan ​​van dit mysterieuze fenomeen.

Donkere materie werd voor het eerst afgeleid door een Zwitsers-Amerikaanse astronoom Fritz Zwicky. In 1933 werd ontdekt dat de massa van alle sterren in de Coma-cluster… De sterrenstelsels leverden slechts ongeveer 1% van de massa die nodig was om te voorkomen dat sterrenstelsels aan de zwaartekracht van de massa zouden ontsnappen. De ontbrekende massa bleef decennia lang ter discussie staan, tot Amerikaanse astronomen hem in de jaren zeventig ontdekten Vera Rubin en W. Kent Ford bevestigde het bestaan ​​ervan door een soortgelijk fenomeen waar te nemen.

In de jaren zeventig observeerde astronoom Vera Rubin het Andromedastelsel, toen ze ontdekte dat het een “vlakke rotatiecurve” had: de buitenste delen van het sterrenstelsel roteren met dezelfde snelheid als de binnenste delen, terwijl ons begrip van de zwaartekracht zegt dat de buitenste gebieden moeten eromheen draaien. Het roteert langzamer als sterren de enige aanwezige massa zijn. Dit geeft aan dat er meer in de Melkweg zit dan op het eerste gezicht lijkt.

Toen bleek uit onderzoek van James Peebles in 1973, samen met collega-astrofysicus Jerry Ostriker, dat schijfstelsels zoals onze eigen Melkweg of Andromeda niet stabiel konden zijn tenzij ze ingebed waren in gigantische halo's van donkere materie.

In 1984 beschreef de Amerikaanse astrofysicus Sandra Faber de evolutie van een koud universum dat gedomineerd wordt door donkere materie. Zij en haar toenmalige collega's gaven een gedetailleerde beschrijving van de vorming van bolvormige sterrenhopen, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, en bespraken zelfs mogelijke kandidaten voor de koude donkere materie van James Peebles.

Sommige complexe modellen omvatten een mengsel van koude en warme donkere materiecomponenten, terwijl andere betrekking hebben op zelfinteractie, verval of vernietiging van de donkere materie.

Afbeeldingscredits: Vera C. Rubin Observatorium

advertentie

Afbeeldingscredits: Vera C. Rubin Observatorium

Afbeeldingscredits: Vera C. Rubin Observatorium

Nader onderzoek van de structuur van het heelal heeft onlangs aanleiding gegeven tot nieuwe redenen om aan koude donkere materie te twijfelen. Hun concept werkt misschien goed op grotere schaal, maar op de schaal van individuele sterrenstelsels lijkt iets onvolledig.

Volgens het koude-donkere-materie-model zouden subhalo's van donkere materie in alle maten moeten bestaan, tot klonten ter grootte van de aarde. Er zweven weliswaar talloze onzichtbare artilleriegranaten rond de Melkweg die in wisselwerking staan ​​met sterrenstromen, maar er is vrijwel geen bewijs gevonden, behalve in 2018, toen Adrian Price Whelan en Anna Bonacca ontdekten dat een bepaalde sterrenstroom beter bekend is. Net als de GD-1 heeft hij gaten over de hele lengte, alsof hij meerdere keren is geraakt.

Een andere twijfel over het concept van koude materie is dat simulaties aantonen dat halo's dichter bij het centrum van de melkweg zouden moeten worden: hoe dichter je bij het centrum komt, hoe meer donkere materie er is per volume-eenheid. Wanneer astronomen echter kijken naar de manier waarop sterrenstelsels bewegen, is dit niet wat ze zien: donkere materie lijkt gelijkmatig verdeeld over de halo van ons sterrenstelsel, vooral in de kerngebieden. Dat zou een teken kunnen zijn dat er iets ingewikkelders aan de hand is.

Ondanks alle nieuwe benaderingen van donkere materie en pogingen om deze op een meer verfijnde manier te bekijken, zijn sommige wetenschappers en astronomen, bijvoorbeeld hoogleraar theoretische astrofysica Mike Boylan-Kolcinari, nog steeds erg voorzichtig met het terzijde schuiven van het concept van koude donkere materie. “Er zijn veel kleine aanwijzingen dat de zaken niet zo eenvoudig zijn als je zou denken, maar het is niet duidelijk dat er iets complexers aan de hand is in de donkere materie,” legde hij uit.

Wetenschappers testen veel mogelijke combinaties van donkere materiedeeltjes en krachten om het recept te vinden dat sterrenstelsels produceert zoals degene die we waarnemen.

Afbeeldingscredits: Vera C. Rubin Observatorium

Afbeeldingscredits: Vera C. Rubin Observatorium

Afbeeldingscredits: Vera C. Rubin Observatorium

Afbeeldingscredits: Vera C. Rubin Observatorium

Wetenschappers hebben veel ideeën over wat donkere materie is, van de baanbrekende hypothese dat donkere materie bestaat uit exotische deeltjes die geen interactie hebben met gewone materie of licht maar toch zwaartekracht uitoefenen, tot ideeën dat de effecten van donkere materie kunnen worden verklaard door… Fundamenteel wijzigen onze theorieën over de zwaartekracht.

De nieuwe manier om donkere materie als complex te beschouwen zou zo simpel kunnen zijn als subatomaire deeltjes die tegen elkaar stuiteren, of zo complex als de families van donkere deeltjes waaruit donkere atomen, sterren en zelfs sterrenstelsels bestaan.

Antoine de Saint-Exupéry zei: “Wat nodig is, is niet zichtbaar voor het blote oog”, en ik denk dat hij gelijk heeft. Misschien moeten wetenschappers op hun intuïtie vertrouwen en simulaties blijven uitvoeren om te zien of er complexe donkere materie in ons universum zou kunnen zijn die onze perceptie vanuit de kern zou kunnen veranderen.

Mensen deelden hun gedachten over de mysterieuze kracht van donkere materie, die wetenschappers en astronomen al eeuwenlang boeit