Sinds de 'Gouden Eeuw van de Algemene Relativiteit' in de jaren zestig hebben wetenschappers beweerd dat een groot deel van het universum bestaat uit een mysterieuze onzichtbare massa die bekend staat als 'donkere materie'. Sindsdien hebben wetenschappers geprobeerd dit mysterie op te lossen met een tweeledige aanpak. Aan de ene kant hebben astrofysici geprobeerd een kandidaat-deeltje te vinden dat deze massa zou kunnen verklaren.
Aan de andere kant hebben astrofysici geprobeerd een theoretische basis te vinden die het gedrag van de donkere materie zou kunnen verklaren. Tot dusver was het debat gericht op de vraag of het 'warm' of 'koud' is, waarbij kou een voordeel geniet vanwege de relatieve eenvoud. Een nieuw onderzoek onder leiding van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (CfA)
Dit was gebaseerd op kosmologische simulaties van de vorming van sterrenstelsels met behulp van een model van een heelal met interactieve donkere materie. De simulaties zijn uitgevoerd door een internationaal team van onderzoekers van de CfA, MIT's Kavli Institute for Astrophysics and Space Research, het Leibniz Institute for Astrophysics Potsdam en meerdere universiteiten. De studie verscheen onlangs in de Maandelijkse aankondigingen van de Royal Astronomical Society.
Als het erop aankomt, wordt Dark Matter toepasselijk genoemd. Om te beginnen vormt het ongeveer 84% van de massa van het heelal, maar zendt, absorbeert of reflecteert het geen licht of enige andere bekende vorm van straling. Ten tweede heeft het geen elektromagnetische lading en heeft het geen interactie met andere materie, behalve door zwaartekracht, de zwakste van de vier fundamentele krachten.
Ten derde bestaat het niet uit atomen of hun gebruikelijke bouwstenen (d.w.z. elektronen, protonen en neutronen), wat bijdraagt aan de mysterieuze aard ervan. Dientengevolge theoretiseren wetenschappers dat het moet bestaan uit een nieuw soort materie die consistent is met de wetten van het heelal, maar niet opduikt in conventioneel deeltjesfysisch onderzoek.
Ongeacht zijn ware aard, heeft Dark Matter sinds ongeveer 1 miljard jaar na de oerknal een diepgaande invloed gehad op de evolutie van de kosmos. Er wordt zelfs aangenomen dat het een sleutelrol heeft gespeeld bij alles, van de vorming van sterrenstelsels tot de verspreiding van de kosmische achtergrondstraling (CMB).
Bovendien worden kosmologische modellen die rekening houden met de rol van Dark Matter ondersteund door waarnemingen van deze twee zeer verschillende soorten kosmische structuren. Ze zijn ook consistent met kosmische parameters zoals de snelheid waarmee het heelal zich uitbreidt, die zelf wordt beïnvloed door een mysterieuze, onzichtbare kracht (bekend als 'donkere energie').
Momenteel veronderstellen de meest algemeen aanvaarde modellen van Dark Matter dat het geen interactie heeft met andere soorten materie of straling (inclusief zichzelf) buiten de invloed van de zwaartekracht - dat wil zeggen dat het "koud" is. Dit is het zogenaamde Cold Dark Matter (CDM) -scenario, dat vaak wordt gecombineerd met de theorie van Dark Energy (voorgesteld door Lambda) in de vorm van het LCDM-kosmologische model.
Deze theoretische vorm van Dark Matter wordt ook wel aangeduid als
“[CDM] is het best geteste en geprefereerde model. Dit komt voornamelijk omdat mensen de afgelopen vier decennia of zo hard hebben gewerkt om voorspellingen te doen met behulp van koude donkere materie als het standaardparadigma - deze worden vervolgens vergeleken met echte gegevens - met de bevinding dat dit model in het algemeen in staat is om reproduceren een breed scala van waargenomen verschijnselen op een breed scala aan schalen. ”
Zoals hij het beschrijft, werd het koude Dark Matter-scenario de voorloper nadat numerieke simulaties van kosmische evolutie werden uitgevoerd met behulp van 'hete Dark Matter' - in dit geval de neutrino. Dit zijn subatomaire deeltjes die erg lijken op een
Deze simulaties lieten zien dat de voorspelde distributies er in het geheel niet uitzagen zoals het universum tegenwoordig doet, 'voegde Bose eraan toe. “Om die reden werd de tegengestelde limiet overwogen, deeltjes die bij hun geboorte nauwelijks snelheid hebben (ook bekend als“ koud ”). Simulaties die deze kandidaat bevatten, passen veel beter bij moderne waarnemingen van het heelal.
“Na het uitvoeren van dezelfde clusteringstesten als voorheen, vonden astronomen een verrassende overeenkomst tussen de gesimuleerde en geobserveerde universa. In de daaropvolgende decennia is het koude deeltje getest door middel van meer rigoureuze, niet-triviale tests dan alleen clustering van sterrenstelsels, en het heeft elk van deze in het algemeen met vlag en wimpel doorstaan. ”
Een andere bron van bezwaar is het feit dat koude donkere materie (althans theoretisch) direct of indirect detecteerbaar zou moeten zijn. Dit is echter waar de CDM in de problemen komt omdat alle pogingen om een enkel deeltje te detecteren tot nu toe zijn mislukt. Als zodanig hebben kosmologen rekening gehouden met andere mogelijke kandidaten die een nog kleinere interactie met andere materie zouden hebben.
Dit is wat Sownak Bose, een astronoom bij de CfA, met zijn team van onderzoekers probeerde vast te stellen. Omwille van hun studie richtten ze zich op een "warme" Dark Matter-kandidaat. Dit type deeltje zou op subtiele wijze kunnen interageren met zeer lichte deeltjes die dicht bij de lichtsnelheid bewegen, hoewel minder dan de meer interactieve "hete" variant.
Het zou met name kunnen interageren met neutrino's, de voormalige koploper voor het HDM-scenario. Er wordt aangenomen dat neutrino's veel voorkomen tijdens het hete vroege heelal, dus de aanwezigheid van interactie met de donkere materie zou een sterke invloed hebben gehad.
"In deze klasse van modellen mag het Dark Matter-deeltje een eindige (maar zwakke) interactie hebben met een stralende soort zoals fotonen of neutrino's", zei Dr. Bose. "Deze koppeling laat in de beginperiode een vrij unieke indruk achter in de" klonterigheid "van het heelal, die nogal verschilt van wat men zou verwachten als de donkere materie een koud deeltje was."
Om dit te testen, voerde het team state-of-the-art kosmologische simulaties uit in de supercomputerfaciliteiten op Harvard en de Universiteit van IJsland. Deze simulaties gingen na hoe de vorming van sterrenstelsels zou worden beïnvloed door de aanwezigheid van zowel warme als donkere materie van ongeveer 1 miljard na de oerknal tot 14 miljard jaar (ongeveer het heden). Dr. Bose zei:
“[We] hebben computersimulaties uitgevoerd om realisaties te genereren over hoe dit universum eruit zou kunnen zien na 14 miljard jaar evolutie. Naast het modelleren van de Dark Matter-component, hebben we ook state-of-the-art voorschriften opgenomen voor stervorming, de effecten van supernovae en zwarte gaten, de vorming van metalen enzovoort.”
Het team vergeleek vervolgens de resultaten met elkaar om kenmerkende handtekeningen te identificeren die de een van de ander zouden onderscheiden. Wat ze ontdekten was dat voor veel simulaties de effecten van deze interactieve Dark Matter te klein waren om merkbaar te zijn. Ze waren echter op een aantal verschillende manieren aanwezig, vooral in de manier waarop verre sterrenstelsels door de ruimte zijn verdeeld.
Deze waarneming is vooral interessant omdat deze in de toekomst kan worden getest met instrumenten van de volgende generatie. "De manier om dit te doen is door de klonterigheid van het heelal in deze vroege tijden in kaart te brengen door te kijken naar de distributie van waterstofgas", legt Dr. Bose uit. "Observatief gezien is dit een gevestigde techniek: we kunnen neutrale waterstof in het vroege heelal onderzoeken door te kijken naar de spectra van verre sterrenstelsels (meestal quasars)."
Kortom, licht dat vanuit verre sterrenstelsels naar ons toe komt, moet door het intergalactische medium gaan. Als er veel neutraal waterstof in het tussenliggende medium zit, worden de emissielijnen uit de melkweg gedeeltelijk geabsorbeerd, terwijl ze niet gehinderd worden als er weinig is. Als Dark Matter echt koud is, zal het verschijnen in de vorm van een veel “lomperige” distributie van waterstofgas, terwijl een WDM-scenario zal resulteren in oscillerende klonten.
Momenteel hebben astronomische instrumenten niet de vereiste resolutie om waterstofgasoscillaties in het vroege heelal te meten. Maar zoals Dr. Bose aangaf, zou dit onderzoek een aanzet kunnen zijn voor nieuwe experimenten en nieuwe faciliteiten die deze waarnemingen zouden kunnen doen.
Bijvoorbeeld een IR-instrument zoals de James Webb Space Telescope (JWST) zou kunnen worden gebruikt om nieuwe kaarten te maken van de verdeling van waterstofgasabsorptie. Deze kaarten kunnen de invloed van interactieve Dark Matter bevestigen of uitsluiten als kandidaat. We hopen ook dat dit onderzoek mensen zal inspireren om na te denken over kandidaten die nog niet in overweging zijn genomen.
Uiteindelijk, zei Dr. Bose, komt de echte waarde van het feit dat dit soort theoretische voorspellingen waarnemingen naar nieuwe grenzen kunnen brengen en de grenzen van wat we denken te weten, testen. "En dat is alles wat wetenschap eigenlijk is," voegde hij eraan toe, "een voorspelling doen, een methode voorstellen om het te testen, het experiment uitvoeren en vervolgens de theorie beperken / uitsluiten!"
