Astronomen bevinden zich nog in een vroeg stadium als het gaat om vragen over de aard en eigenschappen van donkere materie.
De theorie over het bestaan van deze stof wasruim veertig jaar geleden naar voren gebracht als verklaring voor de discrepantie tussen de massa van alle zichtbare objecten in een sterrenstelsel en de massa van het sterrenstelsel zelf. Astronoom Vera Rubin, die de discrepantie als eerste ontdekte, stelde vast dat deze onzichtbare substantie extreem vaak voorkomt en het grootste deel van het heelal uitmaakt. Tegenwoordig kennen we deze stof als donkere materie.
Vera Rubin. Foto: Carnegie Institution for Science / carnegiescience.edu
Hoewel astronomen er minstens drie hebbenbewijs dat er donkere materie bestaat, geen van de pogingen om direct bewijs van zijn bestaan te detecteren en zijn eigenschappen te bepalen, was niet succesvol.
Het werk van wetenschappers van Yale University inonder leiding van Peter van Dokkum, gepubliceerd in het tijdschrift Nature in maart 2018, brachten wetenschappers wetenschappers meer dan ooit dichter bij het vinden van nog een ander bewijs van het bestaan van deze stof.
Wat weten astronomen over donkere materie?
Donkere materie is een substantie die dat niet isinterageert met andere zaken door middel van elektromagnetische (EM) of sterke nucleaire krachten. De afwezigheid van elektromagnetische interacties betekent dat het licht niet kan uitstralen, absorberen, reflecteren, breken of diffunderen. Dit maakt het natuurlijk een nogal ingewikkeld onderwerp voor observatie. Ongeveer 85% van alle materie in het universum is echter donkere materie.
Tot dusverre hebben wetenschappers geen praktisch bewijs dat duistere materie echt bestaat, maar er is theoretisch. Dit zijn de drie belangrijkste.
Galactische rotatiecurven
Wanneer een object rond een ander roteert,een object in een baan moet constant worden versneld naar de centrale (of, meer precies, ze versnellen allebei naar hun gecombineerde massamiddelpunt). Zonder deze versnelling zal het orbitale lichaam gewoon wegvliegen.
Hoe sneller het orbitale lichaam beweegt, demeer versnelling is vereist om het in een baan om de aarde te houden. Omdat in dit geval de versnelling te wijten is aan de zwaartekracht, betekent dit dat de centrale massa groter moet zijn.
Met deze kennis kunnen wetenschappers verschillende wegen 'wegen'delen van de melkweg, evenals het meten van rotatiesnelheden, het vergelijken van roodverschuivingen aan de boven- en onderkant van de melkweg Bij weging zien astronomen een discrepantie tussen de massa van alle objecten in de melkweg en de totale massa.
roodverschuiving— verschuiving van spectraallijnen van chemische elementennaar de rode (lange golflengte) kant. Dit fenomeen kan een uitdrukking zijn van zwakke diffuse verstrooiing, het Doppler-effect of zwaartekrachtroodverschuiving, of een combinatie hiervan. De verschuiving van spectraallijnen in de spectra van hemellichamen werd voor het eerst beschreven door de Franse natuurkundige Hippolyte Fizeau in 1848 en stelde het Doppler-effect voor, veroorzaakt door de radiale snelheid van de ster, om de verschuiving te verklaren.
Zwaartekracht lensing
Volgens de algemene relativiteitstheorie, elkede tijd dat het door het zwaartekrachtveld gaat is enigszins vervormd. Het werkt als een zwaartekrachtlens en kan bijvoorbeeld "Einstein-ringen" produceren, zoals in de onderstaande afbeelding.
Einstein's Algemene Relativiteitstheorie steltdat de zwaartekracht van zulke grote ruimtevoorwerpen als melkwegstelsels de ruimte om zichzelf heen buigt en lichtstralen afbuigt. Wanneer dit gebeurt, een vervormd beeld van een ander sterrenstelsel - de lichtbron.
De "Einstein-ring" in bovenstaande afbeelding isvervormd beeld van één melkwegstelsel (het is blauw gemarkeerd), gelegen achter de andere (rode) melkweg in het midden. Licht van blauw plant zich voort in alle richtingen, maar wordt gebogen door de zwaartekracht van een rood sterrenstelsel. Dit betekent dat licht, dat bijvoorbeeld oorspronkelijk rechtstreeks op de aarde was gericht, onze planeet nooit zal bereiken - in tegenstelling tot licht dat een andere richting had, maar dat door een lens werd vervormd en zich als vanuit alle richtingen tegelijk voortbewoog. Dit proces verklaart het uiterlijk van de ring.
In zwakke zwaartekrachtlenzen, statistischDoor de vervormingen in het licht dat we ontvangen te analyseren, kunnen we het zwaartekrachtveld tussen de aarde en verre sterrenstelsels ‘opmerken’. Er is vaak meer massa – en dus meer materie – op dit gebied dan wetenschappers kunnen verklaren.
Een voorbeeld van zwaartekrachtlenzen, dat vanuit het oogpunt van de bestaande theorie de aanwezigheid van donkere materie bewijst, is een foto van de cluster van sterrenstelsels Bullet, gelegen in het sterrenbeeld Carina.
De afbeelding toont de nasleep van de botsing van twee sterrenstelsels. Het rood in de afbeelding toont gebieden met zichtbare materie, het blauw toont donkere materie, waarvan de aanwezigheid wordt bepaald door zwaartekrachtlenzen.
Dit onderscheid is te wijten aan het feit datDe meeste van de lichtgevende materie in een cluster van sterrenstelsels bevindt zich in een intracluster medium - in een heet, dicht plasma. Wanneer delen van het plasma met elkaar botsen, vertraagt een aanzienlijke hoeveelheid van de stof en blijft deze in het midden. Maar donkere materie heeft een wisselwerking met materie, dus de componenten van twee clusters kunnen vrij door elkaar heen gaan - dit leidt tot de scheiding die op de foto wordt getoond.
Overblijfsel straling
Gedurende de eerste paar honderdduizend jaar daarnaBij de oerknal was het heelal heet genoeg om sterk geïoniseerd te raken. Hierdoor werd het tijdelijk bijna ondoorzichtig voor licht: de fotonen roteerden zoals elk ander deeltje. Toen de zaken echter voldoende afkoelden, combineerden aanzienlijke hoeveelheden protonen en elektronen zich om neutraal waterstof te vormen, dat transparant genoeg werd voor het grootste deel van het omringende licht. Dit proces gebeurde vrij snel (in termen van kosmologische tijd) - als resultaat werd al het licht dat zich in het heelal bevond, relatief gesproken, plotseling vrijgegeven, waardoor een momentopname werd gemaakt in dat stadium van zijn evolutie. Dit is een vereenvoudigde manier om de kosmische microgolfachtergrondstraling te beschrijven.
Om dit licht te detecteren, kunnen wetenschappers dat doenricht radiotelescopen in elke richting en afhankelijk van het observatiegebied zal de temperatuur enigszins veranderen. Het temperatuurverschil wordt verklaard door de aan- of afwezigheid van donkere materie in dit gebied.
Wat is ongebruikelijk in het eerste sterrenstelsel?
DF2 is een sterrenstelsel dat deel uitmaakt van een grote groeponder leiding van het massieve elliptische sterrenstelsel NGC 1052. Het sterrenstelsel trok de aandacht van wetenschappers omdat het er anders uitzag op foto's gemaakt door de Dragonfly and Sloan Digital Sky Survey (SDSS). In het eerste geval leek het sterrenstelsel een zwakke lichtvlek, terwijl het in het tweede een groep puntige objecten was.
Op basis van deze observaties hebben wetenschappers geleid doorPeter van Dokkum identificeerde tien bolvormige sterrenhopen (grote groepen oude sterren) in het sterrenstelsel en ontdekte dat ze drie keer langzamer bewegen dan wanneer er veel donkere materie zou zijn. Feit is dat als de massa van het sterrenstelsel groter zou zijn dan de massa van zichtbare objecten, de clusters sneller zouden roteren.
De wetenschappelijke gemeenschap heeft de publicatie kritisch beoordeeld– de fout van de onderzoekers was dat ze slechts tien clusters observeerden en slechts twee nachten. Sceptici waren van mening dat wetenschappers belangrijke details over de beweging van sterrenhopen over het hoofd hadden gezien, waardoor hun schattingen van de massa en de zichtbare materie van het sterrenstelsel scheef waren.
En in de tweede?
De enige manier om de juistheid van hun te bewijzenObservatie was de zoektocht naar een tweede sterrenstelsel, dat de minimale hoeveelheid donkere materie zou bevatten - en in maart 2019 werd een dergelijk sterrenstelsel ontdekt.
De onderzoekers publiceerden twee wetenschappelijke artikelen - inZij waren de eersten die de massa van DF2 opnieuw hebben gemeten met behulp van Hubble's Advanced Camera en de 10-meter telescoop van het Keck Observatorium op Hawaï. Deze keer observeerden astronomen niet alleen de bewegingssnelheid van de clusters, maar ook de rotatiesnelheid van de sterren erin. Als gevolg hiervan hebben wetenschappers vastgesteld dat DF2 een transparant ultradiffuus sterrenstelsel is, waarvan de grootte ongeveer even groot is als de Melkweg. Alleen zaten er ongeveer 200 keer minder sterren in.
Het tweede artikel was gewijd aan de ontdekking ervanDF2 sterrenstelsels - DF4, dat zich in hetzelfde cluster in de buurt van het sterrenstelsel NGC 1052 bevindt. De onderzoekers geloven dat sterrenstelsels met een minimale hoeveelheid donkere materie niet ongewoon zijn, en ten tweede dat een groot sterrenstelsel zou kunnen "stelen" zaken van hun kleinere buren.
Hoe kan de afwezigheid van donkere materie het bewijs zijn van zijn bestaan?
Om de verklaring te begrijpen dat de afwezigheid van een donkermaterie in twee sterrenstelsels bevestigt zijn aanwezigheid in het universum in overeenstemming met de Algemene Relativiteitstheorie, het is de moeite waard de kritiek op het idee van de aanwezigheid van donkere materie te overwegen.
Sommige wetenschappers zijn het daar niet mee eens in het universumer is donkere materie, en theoretisch bewijs van zijn aanwezigheid wordt toegeschreven aan de zogenaamde gemodificeerde Newtoniaanse dynamiek (MOND). Deze alternatieve theorie zegt dat de zwaartekracht op kosmische schaal niet werkt zoals Isaac Newton of Albert Einstein voorspelde. Dit betekent dat de Algemene Relativiteitstheorie, waarop theorieën over het bestaan van donkere materie worden gebouwd, niet werkt in het geval van sterrenstelsels.
Bijvoorbeeld theoretisch natuurkundige Erik Verlinde uitDe Universiteit van Amsterdam publiceerde in 2016 een wetenschappelijk artikel waarin de zwaartekracht werd onderzocht als een bijproduct van kwantuminteracties en suggereerde dat de extra zwaartekracht die aan donkere materie wordt toegeschreven een effect is van donkere energie - achtergrondenergie verweven in het weefsel van de ruimte-tijd van het heelal.
Met andere woorden: Verlinde gelooft dat donkere materie geen materie is, maar slechts een interactie tussen gewone materie en donkere energie.
Ontdekking van wetenschappers van de Yale Universitytoont aan dat donkere materie kan worden gescheiden van gewone materie, op voorwaarde dat beide gedetecteerde sterrenstelsels zich gedragen volgens de standaardtheorie van de zwaartekracht. Dat wil zeggen, de processen die daarin voorkomen, kunnen worden verklaard met behulp van de vergelijkingen die Newton en Kepler hebben ontdekt.
Wat zijn de vragen
Ontdekking door astronomen, indien succesvoldie door toekomstige waarnemingen onomstotelijk wordt bevestigd, daagt de bestaande theorie over de vorming van sterrenstelsels uit. We hebben het in het bijzonder over de veronderstelling dat de grotere NGC 1052 donkere materie van DF2 en DF4 zou kunnen ‘stelen’. Als dit echt mogelijk is, op voorwaarde dat de volgorde die in beide waargenomen sterrenstelsels wordt waargenomen behouden blijft, zullen astronomen het mechanisme van hun vorming en bestaan volledig moeten heroverwegen.
"We hopen erachter te komen hoe vaakdeze sterrenstelsels en of ze bestaan in andere delen van het universum. We willen meer bewijs vinden dat ons helpt te begrijpen hoe hun eigenschappen consistent zijn of niet consistent met onze huidige theorieën. We hopen dat dit ons in staat zal stellen om nog een stap te zetten in het begrijpen van een van de grootste mysteries in ons universum - de aard van donkere materie, "zei Dokkum in een gesprek met Astronomy.