donkere materie

Massa van donkere materiedeeltjes nu veel nauwkeuriger

Theoretisch fysici hebben het mogelijke bereik voor de massa van donkere materiedeeltjes flink ingeperkt. Dit bereik blijkt veel kleiner dan voorspeld. Daardoor hoeven donkere-materiejagers maar met een beperkt aantal deeltjes rekening te houden.

Massa van donkere materiedeeltjes maximaal 20 maal zo groot als elektron

Bij hun berekeningen gingen de onderzoekers er van uit dat alleen de zwaartekracht op de deeltjes inwerkt. Ze berekenden dat de massa van de donkere materiedeeltjes tussen de 0,001 en 10 000 000 eV/c2 moet liggen. Om een indruk te geven: elektronen hebben een massa van 511 000 eV/c2, protonen en neutronen nog eens rond de duizend maal meer. Dat betekent dat de donkere materie-deeltjes maximaal 20 maal zo zwaar zijn als een elektron, of veel lichter

Dat klinkt als een enorme onzekerheid, en dat is het ook. Maar vergeleken met het eerdere massabereik – tussen de 10-24 eV en 1019 GeV (de Planck-massa, waarbij deeltjes direct ineenstorten tot een zwart gat), is dit een zeer sterke afname. Vergelijk een onzekerheid van een getal met vijftig cijfers, met die van tien cijfers. We weten nu bijvoorbeeld dat het hypothetische deeltje X ruim binnen het bereik van onze deeltjesversnellers ligt. Nu kunnen we ook veel gerichter zoeken. Deze schatting is een indrukwekkende prestatie, zeker als je bedenkt dat we alleen de massaverdeling van donkere materie kennen. En verder niets weten.

Kwantumzwaartekracht

Voor het stellen van deze grenzen is gebruik gemaakt van onze bestaande kennis over kwantumzwaartekracht. Dit laat zien dat donkere materie niet ‘ultralicht’ of ‘superzwaar’ kan zijn, zoals sommigen theoretiseren, tenzij er een nog onbekende extra kracht op inwerkt. Dit onderzoek helpt natuurkundigen op twee manieren: het perkt het zoekgebied voor donkere materie enorm sterk in, en het zal mogelijk ook helpen onthullen of er al dan niet een mysterieuze onbekende extra kracht in het universum is.[1]

Zowel de aanhangers van de snaartheorie, als van loop quantum gravity zijn het er over eens dat er iets als kwantumzwaartekracht bestaat. Een groep mensen, waaronder ik, heeft daar vraagtekens bij. En dus ook bij deze uitkomst. Mijn persoonlijke gevoel is, dat zwaartekracht in werkelijkheid de kwantumverstrengeling is tussen reële en virtuele deeltjes. Deze kwantumverstrengeling vermindert dan de vrijheidsgraden van virtuele deeltjes, dus lijkt ruimtetijd in te krimpen. Precies het effect dat je ziet door zwaartekracht. De theorie dat tijd voortkomt uit kwantumverstrengeling is overigens al onderwerp van serieus onderzoek.

De massa van donkere materiedeeltjes is alleen indirect waar te nemen. Zoals hier door het zwaartekrachtslens-effect. De reden voor de ringen. Bron: NASA/Wikimedia Commons

Het zichtbare universum bestaat voor slechts vijf procent uit ‘normale’, baryonische materie. Vijfentwintig procent komt voor rekening van donkere materie, terwijl zeventig procent van de totale energie-inhoud van het universum uit donkere energie bestaat.

Bronnen

  1. X. Calmet en F. Kuipers, Theoretical bounds on dark matter masses, Physics Letters B, Volume 814, 10 March 2021, DOI: 10.1016/j.physletb.2021.136068

‘Primordiale zwarte gaten vormen donkere materie’

De zwaartekrachtgolfdetector LIGO ontdekte niet alleen zwaartekrachtgolven. Veel interessanter is waarvan LIGO zwaartekrachtgolven waarnam: zwarte gaten van rond de 30 zonsmassa’s, een formaat dat volgens de gevestigde theorieën helemaal niet kan bestaan. Zou donkere materie uit primordiale zwarte gaten bestaan? En zouden zwarte gaten de missing link zijn voor de evolutie van sterrenstelsels? En de overblijfsels van baby-universa?

De bestaande theorieën voor het ontstaan van zwarte gaten blijken onvolledig

De tot nu toe vóór LIGO ontdekte zwarte gaten vallen ruwweg uiteen in twee grootteklassen. Kleine zwarte gaten van enkele zonsmassa’s, zoals Cygnus X-1, ontstaan door het ineenstorten van zware sterren van enkele tientallen zonsmassa’s.

Ook zijn er de enorme zwarte gaten van miljoenen zonsmassa’s, zoals Sagittarius A*, het zwarte gat in het centrum van onze Melkweg. Deze vormen het centrum van sterrenstelsels. Er zijn geen middelgrote zwarte gaten van bijvoorbeeld  enkele honderden of duizenden zonsmassa’s gevonden, al bestaan deze vermoedelijk in het centrum van bolvormige sterhopen.

Het lichtste grote zwarte gat is meer dan een miljoen zonsmassa’s. De twee door LIGO waargenomen ineengestorte zwarte gaten, die een nieuw zwart gat van 62 zonsmassa’s produceerden, hadden een massa van rond de dertig zonsmassa’s. Er moet een ander mechanisme dan stervorming hiervoor verantwoordelijk zijn. Hetzij de samensmelting van kleinere zwarte gaten van rond de tien zonsmassa’s, hetzij een heel nieuw mechanisme. Bijvoorbeeld primordiale vorming: hypothetische zwarte gaten die vlak na de Big Bang ontstonden. Zouden de twee botsende zwarte gaten primordiale zwarte gaten zijn geweest?

Primordiale zwarte gaten

De kosmische achtergrondstraling blijkt namelijk opmerkelijk korrelig te zijn. De verklaring is volgens astronoom A. Kashlinsky dat clusters zwarte gaten van rond de dertig zonsmassa’s hiervoor verantwoordelijk zijn[1]. Zijn voorspelling is dat vrijwel alle donkere materie uit zwarte gaten bestaat met een vrij nauwe massaverdeling rond deze dertig zonsmassa’s.

De bolvormige sterhoop Messier 80. De centrale zwarte gaten in deze bolvormige sterhopen hebben een voorspelde massa van rond de 30 zonsmassa’s. -NASA

Deze kunnen de zaden hebben gevormd, waar zich bolvormige sterhopen omheen vormden. De hypothetische, maar nog niet waar genomen centrale zwarte gaten in bolvormige sterhopen zijn namelijk ongeveer deze grootte. Deze zijn samengesmolten en vormden de eerste spiraalstelsels. De andere bolvormige sterhopen worden dan weer opgeslokt door grotere spiraalstelsels. Inderdaad bevindt zich rond de Melkweg een halo van bolvormige sterrenstelsels. Mogelijk bestaat de donkere materie daarom uit zwarte gaten waar rond we geen sterren kunnen waarnemen, dus voor ons onzichtbaar zijn. Dit zou ook de raadselachtige uitbarstingen van röntgenstraling verklaren. Elke keer als een zwart gat een zwerfplaneet of ander zwervend galactisch object opslokt, komt een chirp van röntgenstraling vrij.
Voor deze theorie pleit ook dat de sterren in bolvormige sterhopen metaalarm en dus zeer oud zijn: ze zijn echt gevormd uit Big Bang-gas en niet uit restanten van supernova’s.

Baby-universa

Russische en Japanse kosmologen van het instituut Kavli IPMU bij Tokio, hebben deze theorie nu uitgebreid. Die primordiële zwarte gaten zijn niet zomaar zwarte gaten, maar de overblijfselen van ‘doodgeboren’ baby-universa. Van buiten nemen wij deze waar als een zwart gat. Sommige baby-universa bestaan zelfs nog steeds. Van binnen een dergelijk baby-universum lijkt het alsof het uitzet.

Het is lastig om zwarte gaten waar te nemen. Dat kan eigenlijk maar op enkele manieren. De accretieschijf, de zwaartekrachtswerking en hun werking als zwaartekrachtslens. De accretieschijf, de draaikolk van materie die het zwarte gat ingezogen wordt, is alleen waar te nemen als het zwarte gat materie opslurpt. Wat zelden gebeurt. Het heelal is groot en leeg. Dus verzon de groep een list. De Hyper Suprime-Cam (HSC) neemt het naburige Andromeda-stelsel waar. Naburig is hier relatief: twee miljoen lichtjaar. Als er primordiale zwarte gaten voro de lens trekken, kunnen we dat waarnemen als sterren die van plaats veranderen. Dit door de zwaartekrachtlenswerking. Erg veel heeft het onderzoek nog niet opgeleverd, al is er nu wel een ondergrens vastgesteld [2].

Bronnen
1. A. Kashlinsky, LIGO Gravitational Wave Detection, Primordial Black Holes, and the Near-IR Cosmic Infrared Background Anisotropies, The Astrophysical Journal Letters, 2016
2. Alexander Kusenko, Misao Sasaki, Sunao Sugiyama, Masahiro Takada, Volodymyr Takhistov en Edoardo Vitagliano, Exploring Primordial Black Holes from the Multiverse with Optical Telescopes” by  30 October 2020, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.181304

Sterke aanwijzing voor bestaan donkere bosonen ontdekt

Er is naar schatting ongeveer vier maal zoveel donkere materie, als baryonische (standaard)  materie. Van de zwaartekrachtswisselwerking van donkere materie merken we veel, maar in deeltjesdetectoren ontbrak tot nu toe elk spoor. Maar mogelijk is daar nu verandering in gekomen.

Spookachtige donkere bosonen

Een belangrijke kandidaat voor donkere materie zijn extreem lichte deeltjes die zwak op elkaar inwerken. We kennen al één vorm van dergelijke deeltjes: de spookachtige neutrino’s. Neutrino’s wisselwerken alleen via de zwakke kernkracht en de zwaartekracht. Dit betekent dat we neutrino’s alleen waar kunnen nemen door radioactieve reacties in het uiterst zeldzame geval dat ze die opwekken. De hypothetische steriele neutrino’s, een van de kandidaten voor donkere materie, zijn alleen via de zwaartekracht waar te nemen. Met een hoge-energie supercollider zijn deze en andere lichte deeltjes niet waar te nemen, maar met alternatieve methoden mogelijk wel. Veel onderzoekers zijn hier mee bezig.

Extreem energierijke botsingen, zoals deze waarbij een Higgsdeeltje betrokken was, zijn veel te sterk om lichte deeltjes te kunnen vinden, Bron: Wikimedia Commons/Lucas Taylor (CERN)

Wat zijn donkere bosonen?

Donkere bosonen is een verzamelnaam voor alle kandidaten van donkere materie die dezelfde kwantumgetallen kunnen hebben in elkaars buurt (dus: zonder elkaar af te stoten op elkaar geplaatst kunnen worden). Vooral de lichtere deeltjes binnen deze verzameling, ‘lichte donkere bosonen’, staan in de belangstelling. Zij zouden als ze met een atoom in aanraking komen, namelijk de energieniveaus van elektronen moeten veranderen. Onderzoekers over de hele wereld hebben daarom geprobeerd alternatieve technologieën en methoden te ontwikkelen die de detectie van deze deeltjes mogelijk maken. Een veelbelovende benadering is het meten van de verschillen in energieniveaus van verschillende isotopen. In de spectra van koolstof-12, koolstof-13 en koolstof-14, bijvoorbeeld, zit een miniem verschil in het energieniveau van een aangeslagen elektron. Dat komt door het massaverschil in de kern van steeds één neutron extra. Als er in het atoom niets anders is dan protonen, neutronen en elektronen, zal het verschil in een bepaalde overgang tussen koolstof-12 en koolstof-13 precies even groot zijn als het verschil in diezelfde overgang tussen koolstof-13 en koolstof-14. Is er nog een onbekend deeltje bij betrokken, dan zal een lijn die getrokken wordt door deze waardes afwijken van een rechte lijn: de voorspelling van het Standaardmodel.

Nieuwe aanwijzing voor donkere bosonen gevonden

Omdat de verschillen hier echt miniem zijn, moet precisiespectroscopie toegepast worden om deze waar te kunnen nemen. In hun experimenten onderzochten de teams van de Deense Universiteit van Aarhus (met calciumionen[1]) en de Usaanse MIT (met ytterbiumionen[2]) deze overgangen. Het team van Aarhus mat een rechte lijn (wat overeenkomt met de rechte lijn van het Standaardmodel), maar de groep van het MIT mat een afwijking in het ytterbiumspectrum. Deze afwijking was relatief klein, drie sigma (een kans van 0,3 procent dat de waarnemingen op toeval berusten is naar natuurkundige begrippen nog te hoog; zes sigma, 0,00033 procent was de standaard voor bijvoorbeeld  de bevestiging van het Higgsdeeltje) maar wijst er toch op dat er waarschijnlijk “iets” aanwezig is. Het is goed mogelijk, dat de gebruikte benadering van het Standaardmodel bij het ytterbiumion niet volledig is en dat dit de afwijking verklaart, maar er is eveneens een goede kans dat dit het eerste echte spoor is van een nog onbekend deeltje.

Al eerder werden er aanwijzingen voor een nog onbekend deeltje aangetroffen in een met xenon gevuld vat diep onder de Italiaanse berg Gran Sasso. Verdere metingen en het uitwerken van het theoretische model moeten duidelijkheid opleveren.

Bronnen
1. Improved Isotope-Shift-Based Bounds on Bosons beyond the Standard Model through Measurements of the 2D3/2−2D5/2 Interval in Ca+. Physical Review Letters DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.123003.
2. Evidence for nonlinear isotope shift in Yb+ search for new Boson. Physical Review Letters
DOI: 10.1103/PhysRevLett.125.123002.

Anapole donkere materie: heeft donkere materie een onzichtbaarheidsmantel?

Vijfzesde van de materie in het heelal bestaan uit materie die we niet waar kunnen nemen, anders dan door zwaartekracht. Natuurkundigen over de hele wereld pijnigen zich de hersenen over de aard van deze materie. Een nieuw, eenvoudig maar krachtig idee wordt de laatste jaren steeds populairder. Zou donkere materie zich vermommen door anapole elektromagnetische velden die elkaar cancelen?

Anapool (boven), elektrische dipool en magnetische dipool (onder).

Anapolen: onzichtbare velden
Eerst een lesje Grieks. Een magneet heeft een noord- en zuidpool, twee polen dus en heet daarom een dipool. Een elektrische lading kan wel los voorkomen en vormt een enkele pool, een monopool. Uiteraard kan van een positieve lading, gescheiden van een negatieve lading, ook een dipool gemaakt worden. Er bestaan ook elektromagnetische velden met vier polen (quadrupolen) en acht polen (octapolen). Anapolen (zonder pool) kennen geen enkele pool. Een anapool veld is van buiten onzichtbaar. Een elektromagnetische onzichtbaarheidsmantel dus. Wat, als donkere-materiedeeltjes door zo’n anapool veld omgeven worden en daarom onzichtbaar zijn? Dit zou verklaren, waarom ze niet waar te nemen zijn.

Majoranadeeltjes
De op mysterieuze wijze in 1934 verdwenen Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana veronderstelde dat er fermionische deeltjes bestaan, die hun eigen antideeltjes zijn. Deeltjes met deze eigenschap staan bekend als Majoranadeeltjes. Majoranadeeltjes zijn een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie, omdat ze alleen met elkaar reageren. Tot nu toe zijn er nog geen Majoranadeeltjes gevonden, alleen quasideeltjes met Majorana-eigenschappen. Fotonen zijn hun eigen antideeltjes en kunnen elkaar annihileren, maar dit zijn bosonen, geen fermionen.

Hoe zien anapolen er uit?
Magnetische anapolen zijn oorspronkelijk in 1958 voorgesteld door de briljante Sovjetnatuurkundige Yakov Zel’dovich. In 1977 aangetoond in de atoomkernen van cesium-133 and ytterbium-174. In deze oplossing lopen de magnetische veldlijnen in een ring. De elektrische veldlijnen omcirkelen deze ring als hoepels, zie de bovenste afbeelding in het diagram. Je kan zien dat er geen enkele veldlijn ontsnapt uit deze structuur. De reden dat anapolen vrijwel onmogelijk waar te nemen zijn.

Artist impression van Majorana-anapolen.

Anapolen enige toegestane veld rond Majoranadeeltjes
In een artikel analyseerden de natuurkundigen  Robert Scherrer en Chiu Man Ho, die voor Vanderbilt University werken, welke vormen van elektromagnetische velden rond Majoranadeeltjes zijn toegestaan volgens de kwantummechanica. [2] Naar bleek, kunnen alleen anapolen rond Majoranadeeltjes voorkomen.

Hoe sneller, hoe meer wisselwerking
Hoe sneller anapolen bewegen, hoe sterker ze wisselwerken. Bij het ontstaan van het universum zou dan veel donkere materie deze wisselwerking hebben vertoond. Nu is door de veel lagere snelheden wisselwerking zeldzaam, waardoor de donkere materie rond zou blijven kolken.

Zou dit de verklaring voor donkere materie kunnen vormen?
Deze theorie is een erg elegant stukje natuurkunde. Er hoeft geen nieuwe natuurkracht te worden verzonnen, een beroep op de oude, vertrouwde elektromagnetische kracht is voldoende. Twee netelige problemen: de net als hun bedenker al een kleine eeuw vermiste Majoranadeeltjes en een ontbrekende verklaring voor de donkere materie worden in één klap opgelost. Scherrer en Ho tonen ook overtuigend aan, dat alleen een anapool veld rond een Majorana-fermion voor kan komen. Met andere woorden: bestaat het Majorana-fermion, dan moet het een anapool veld hebben, dus vrijwel onwaarneembaar zijn.

Het enige wat ontbreekt aan deze theorie is de detectie van het Majorana-fermion. Door deze duidelijke wiskundige omschrijving is het opzetten van een goed experiment om het deeltje aan te tonen of juist uit te sluiten, wel een stuk eenvoudiger geworden.

Anapolen als onzichtbaarheidsmantel en energieopslag
Zou je in staat zijn zelf grote anapolen te maken, dan zou je hierin energie op kunnen slaan. Ook zou je structuren ‘onzichtbaar’ kunnen maken. Dit laatste is precies wat een groepje Australiërs aan de Australian National University heeft gedaan. [4] Door de ladingen hierbinnen zo te verdelen dat zich een anapool vormde, slaagden de onderzoekers er in, schijfjes silicium op nanoschaal onzichtbaar te maken. Kortom: er zou wel eens een hoorn des overvloeds aan nieuwe technologie en mogelijkheden uit dit principe kunnen vloeien. [5]

Bronnen
1. Chiu Man Ho en Robert J. Scherrer, Anapole dark matter, Phys. Rev. Letters B, 2013
2. Boudjema, F.; Hamzaoui, C.; Rahal, V.; Ren, H. C., Electromagnetic properties of generalized Majorana particles (1989), Phys. Rev. Lett. 62 (8): 852–854,doi:10.1103/PhysRevLett.62.852
3. New, simple theory may explain mysterious dark matter, Vanderbilt University News, 2013
4. Andrey E. Miroshnichenko et al., Nonradiating anapole modes in dielectric nanoparticles. Nature Communications, 2015; 6: 8069 DOI:10.1038/ncomms9069
5. New Theory to lead to radiationless revolution, ANU Newsroom, 2015

Wat als ‘donkere materie’ gewoon uit standaardmaterie bestaat?

Onderzoekers denken een verklaring voor donkere materie gewonden te hebben die geen nieuwe natuurkunde vereist, slechts grote brokken materie. Hoe sterk is hun ‘case’ voor zogeheten macro’s, die net zoals normale materie gewoon uit quarks en leptonen bestaat ?

Donkere materie
Uit astronomische waarnemingen blijkt dat op er grote schaal de zwaartekracht zich niet precies gedraagt zoals de zwaartekrachtswet van Newton en de algemene relativiteitstheorie voorspellen. Zo draaien  de buitenste delen van sterrenstelsels veel sneller om de kern, dan ze op basis van klassieke zwaartekrachtstheorie zouden moeten doen. Er van uitgaande dat exotische zwaartekrachtstheorieën als MOND onzin zijn, moet iets onzichtbaars voor extra zwaartekracht zorgen. De meerderheid van de astronomen denkt dat dat ‘iets’ bestaat uit exotische deeltjes, bijvoorbeeld WIMPs of axionen, die niet in het Standaardmodel voorkomen. Helaas wil het niet echt opschieten met het ontdekken van deze spookdeeltjes. Vreemd natuurlijk, als ze verantwoordelijk zijn voor plm 80% van alle materie.

Als materie met strange quarks stabieler is dan normale materie, zou deze normale materie moeten opslokken. Een geliefd scenario voor doemdenkers.

Donkere neutronium?
David M. Jacobs en Glenn D. Starkman, onderzoekers van de Case Western Reserve University  in de Amerikaanse deelstaat Ohio denken dat de verklaring hiervoor simpel is. De spookdeeltjes bestaan niet; de “donkere materie” is normale materie, maar opgesloten in macroscopische objecten, die we gewoon met het blote oog kunnen zien. Zij het dat ze wel een extreem hoge dichtheid hebben, in de orde van grootte van een neutronenster. Neutronium is extreem compact. Een neutroniumobject met de massa van de aarde is ongeveer zo groot als een eengezinswoning en dus van een verre afstand erg moeilijk waar te nemen. Er is alleen een probleempje met deze materie. Ongebonden neutronen vallen in gemiddeld een kwartier uit elkaar tot waterstofatomen. Neutronium is, voor zover we weten, alleen bij de extreme drukken zoals in de kern van een ineengestorte ster heersen, stabiel. Er zal dus een nog dichter, stabiel materiaal moeten worden gevonden. Sommige theoretici veronderstellen dt er zogeheten ‘strange matter’, vreemde materie, die is gegroepeerd in strangelets, moet bestaan. Strangelets zijn in feite enorme baryonen (atoomkerndeeltjes), die naast de gebruikelijke up- en downquarks, ook bestaan uit zwaardere strange quarks. Op dit moment is er geen empirisch bewijs aangetroffen voor het bestaan van strangelets. Dat is maar goed ook, want als een strangelet de aarde zou raken, zou een kettingreactie op kunnen treden, die alle materie op aarde in een strangelet verandert. De auteurs denken dan ook dat kleine strangelets niet bestaan: immers de zon schijnt nog steeds. Zij geloven in objecten tussen 1018 gram en 1023 gram. Om een indruk te geven: dat zijn objecten met een massa tussen ruwweg die van een grote asteroïde en de planeet Mars. Deze objecten zijn inderdaad zo klein dat ze optisch alleen binnen ons zonnestelsel waargenomen kunnen worden. Ook kunnen ze zo zeldzaam zijn dat ze niet vaak met normale materie botsen. Volgens de onder- en bovengrenzen die de auteurs noemen, kunnen er zich tussen de 0,1 en 1014 macro’s in de bol tussen de zon en de omloopbaan van de aarde bevinden [1].

Empirisch bewijs
De empirische bewijzen voor deze objecten blijken echter afwezig. Zware macro’s van een planeetmassa zijn uitgesloten, gezien de zeer nauwkeurige zwaartekrachtsmetingen op aarde die geen afwijkingen geven. Zeer lichte macro’s met de massa van enkele kilo’s zouden misschien kunnen bestaan. Deze zouden kleiner zijn dan een atoom. Hiervoor gelden de gebruikelijke issues met strangelets: het zijn er erg veel, dus zouden ze massaal met bestaande materie in aanraking moeten komen en deze omzetten in strangelets. Persoonlijk geef ik daarom niet veel voor deze theorie.

Bronnen
1. David M. Jacobs en Glenn D. Starkman, Macro dark matter, Arxiv prepublish server, 2014

‘Donkere materie veroorzaakt elfjarige zonnecyclus’

De zon kent meerdere cycli, waarvan de elfjarige zonnevlekkencyclus de belangrijkste is. Al eerder is astronomen opgevallen dat deze cyclus ongeveer in de maat loopt van de omloop van Jupiter, die enkele maanden langer, 11,8 jaar duurt. Is donkere materie de verklaring voor de cyclus? Ja, zegt een zeer speculatief artikel.

Het röntgenmysterie
De helderheid van de zon varieert in het zichtbare domein met enkele duizendsten in de loop van elf jaar. De variatie in röntgenstraling is veel groter: op sommige punten van de zonnecyclus is deze honderd maal zo sterk als op andere punten. Er moet een zeer energetisch krachtig proces zijn, dat deze geheimzinnige variatie veroorzaakt. Niemand weet wat deze variatie precies veroorzaakt, al zijn er vermoedens, zoals magnetische velden.

Jupiter als zwaartekrachtslens
Nu is een groep astronomen met een nieuwe verklaring gekomen. Volgens hen is donkere materie, die de zon treft, de verklaring voor de bizarre veranderingen. De reuzenplaneet Jupiter zou hier een cruciale rol in spelen: deze planeet, in samenwerking met de andere planeten, werkt volgens de onderzoekers als een zwaartekrachtslens, die een bundel donkere materie op de zon richt. Dit zou dan weer het periodieke gedrag veroorzaken. De sterkste asymmetrische factor buiten het zonnestelsel is uiteraard het Melkwegstelsel waar we deel van uitmaken. Een samenspel tussen Jupiter en de galactische donkere materiestromen zou dan de periodieke fluctuaties veroorzaken.

Werkt de grootste planeet van het zonnestelsel als een zwaartekrachtslens van donkere materie? bron: NASA

Barycentrum
Op de middelbare school heeft u geleerd dat de planeten om de zon draaien. Dit is in feite onjuist. Zon en planeten draaien om een gemeenschappelijk zwaartepunt, het barycentrum, dat in de praktijk neerkomt op een punt tussen de Zon en Jupiter dat vlak boven de ‘oppervlakte’ van de zon ligt. Een buitenaardse astronoom kan aan de schommelingen van de zon daarom zien dat de zon een zware reuzenplaneet heeft: in feite is dit een bekende manier om zware exoplaneten te vinden.

Stromen van donkere materie
In veel modellen van donkere materie bewegen de donkere materiedeeltjes vrij langzaam, rond een duizendste van de lichtsnelheid. Zwaartekrachtsvelden worden bij deze lage snelheden belangrijk. De theorie van de auteurs, dat de zon geregeld een ‘douche’ van donkere materie te verwerken krijgt, die door de planeten de richting van de zon op wordt gebogen, is daarmee op zich aannemelijk. Het kan interessant zijn om na te gaan waar deze stroom donkere materie vandaan komt: hoe staan de planeten ten opzichte van de rest van de Melkweg uitgelijnd als de zonnevlekkenactiviteit maximaal, of juist minimaal is? De auteurs raden aan om rekening te houden met deze kosmische invloeden bij het opzetten van toekomstige donkere materie detectie-experimenten. Wellicht dat we dan twee hardnekkige raadsels in een keer kunnen oplossen, en misschien in de verdere toekomst een overvloedige bron van gratis energie af kunnen tappen.

Bron
Konstantin Zioutas et al., The 11-Years Solar Cycle As The Manifestation Of The Dark Universe, ArXiv preprint server, 2013

Spookmelkweg ontdekt?

Wat als donkere-materiedeeltjes een even complexe wereld als de zichtbare materie vormen, compleet met donkere-materie atomen? Onverklaarbare meetresultaten waarbij een overschot aan positronen werd aangetroffen in kosmische straling lijken op iets dergelijks te wijzen. Heeft de Californische astronoom James Bullock gelijk en bestaat er een ‘donkere sector’? Alhoewel deze kan verklaren waarom we geen donkere materie waarnemen op aarde, zou dit betekenen dat donkere materie heel anders is dan we ons tot nu toe hebben voorgesteld.

Verborgen massa
Sterrenstelsels en clusters gedragen zich anders dan op grond van de aanwezige zichtbare materie, zoals sterren, gas- en stofwolken, kan worden verwacht. Er lijkt vijf keer zoveel massa te zijn als verwacht. Deze ‘donkere materie’ lijkt echter helemaal niet op standaard materie te reageren, behalve dan door zwaartekracht. Er is daarom nog steeds niet definitief donkere materie aangetoond, anders dan door de zwaartekrachtswerking. Volgens de populairste modellen bestaat donkere materie uit zware deeltjes, WIMP’s, die alleen met elkaar wisselwerken. In dat laatste geval ontstaan elektronen en positronen, die we waar kunnen nemen. Dit zou de metingen van de Alpha Magnetic Spectrometer, aan boord van het internationale ruimtestation ISS,  kunnen verklaren. Bij deze metingen werd een groter dan voorspeld aantal positronen aangetroffen. Wel moeten de elektronen en positronen dan inderdaad de voorspelde energie hebben.

De halo met donkere materie die de Melkweg zou omringen. Bron: CERN

Verborgen kracht?
Een tweede probleem is dat er veel meer positronen zijn dan de standaard modellen met WIMP’s kunnen verklaren. Klawrblijkelijk botsen WIMP’s, als ze bestaan, veel vaker met elkaar dan de populairste WIMP-modellen voorspellen. Wat kan hiervan de oorzaak zijn? Een onbekende natuurkracht, veronderstelt Neal Weiner of New York University met zijn collega’s. Deze zou alleen op WIMP’s inwerken en zo de kans op botsingen veel groter maken. Wel moet deze kracht in staat zijn om te verklaren hoe zich sterrenstelsels en clusters vormen. Dit lukt al vrij aardig met de klassieke theorieën.

Twee soorten WIMP’s?
Lisa Randall van Harvard University en haar collega’s bedsachten een andere oplossing. Volgens haar zijn er meer dan één soort WIMP, 85% van de klassieke soort die nauwelijks op zichzelf reageert en 15 procent van een andere soort, die dat wel doet en onderhevig is aan de geheimzinnige kracht. Op die manier blijven de moeilijkheden met de nieuwe ‘donkere kracht’ beperkt terwijl de ‘boost factor’ toch behouden blijft. Wel moet er dan een tweede deeltje worden geïntroduceerd, een soort  ‘donker foton’.

‘Onzichtbare Melkweg’
Klopt haar model, dan zouden de gevolgen interessant zijn. Deeltjes die wél op elkaar reageren gedragenzich namelijk ongeveer zo als zichtbare materie. Ze vormen een soort atoomstructuren. Door voortdurende wisselwerkingen hopen deze zich net als zichtbare materie uiteindelijk op in een schijf, niet in een bol zoals deeltjes die alleen door de zwaartekracht worden beïnvloed. Er zou dan een tweelingzus van de Melkweg, een schaduwmelkweg, bestaan die met de zichtbare materie meedraait of onder een bepaalde hoek met deze beweegt. Het hoeft niet bij deze twee soorten te blijven, er zou net als bij zichtbare materie een hele ‘dierentuin’ van onzichtbare deeljes kunnen bestaan. Er is echter één probleem: er zijn, op wat dubbelzinnige metingen uit Italië na, geen sporen van dit soort deeltjes aangetroffen. Aan de andere kant blijken er duidelijke sporen te zijn van een onzichtbare invloed, zie bovenstaande video. De ontdekkers zijn nu op zoek naar soortgelijke botsingen.

Sporen van de onzichtbare dubbelganger
Als Randall gelijk heeft en er inderdaad een donkere onzichtbare schijf bestaat, dan zou dit merkbaar moeten zijn in de bewegingen van sterren.
De Gaia satelliet, met een lanceerdatum in oktober 2013, zou deze kunnen waarnemen. Omdat de schijf ongeveer even snel rondtolt als de Melkweg, zouden af en toe toch WIMPs protonen in de kern van de zon kunnen treffen, waarbij neutrino’s vrijkomen. Probleem: deze neutrino’s zijn niet waargenomen.

Bron
New Scientist

Mogelijke sporen van donkere materie ontdekt in ISS

In de Alpha Magnetic Spectrometer, een 2 miljard dollar kostende detector van kosmische deeltjes aan boord van het internationale ruimtestation ISS, is een zeer hoog aantal positronen waargenomen. Volgens veel donkere-materieonderzoekers een sterke aanwijzing dat donkere materie inderdaad bestaat. Toch houden ze nog een slag om de arm.

Wat is donkere materie?
Volgens de op dit moment populaire kosmologische modellen moet het bestaan: donkere materie. Donkere materie, die volgens die modellen viervijfde van alle massa in het heelal uitmaakt, is alleen waar te nemen door de zwaartekrachtseffecten en -afhankelijk van het type deeltje dat verantwoordelijk is voor donkere materie- bepaalde vervalproducten. Het probleem met donkere materie is dat het uiterst lastig aan is te tonen. De deeltjes die verantwoordelijk zijn voor donkere materie – of het nu gaat om axionen, steriele neutrino’s of supersymmetrische deeltjes, om maar enkele kandidaten te noemen, alle hebben ze met elkaar gemeen dat ze niet of nauwelijks in staat zijn om met waarneembare materie in wisselwerking te treden.

Onverklaarbare overvloed aan positronen
De AMS vangt geladen kosmische deeltjes op met behulp van een krachtige magneet. Magnetische velden buigen bewegende elektrisch geladen deeltjes af en maken het zo mogelijk de snelheid en lading van de deeltjes vast te stellen. Tussen de lancering in 2011 en voorjaar 2013, samen 18 maanden, heeft het apparaat 6 800 000 elektronen en meer dan 400 000 positronen, de antideeltjes van elektronen, met hoge energie waargenomen in de kosmische straling. Deze hoeveelheid positronen is veel en veel hoger dan wat astrofysici hadden verwacht – antimaterie is erg zeldzaam omdat deze onmiddellijk wordt vernietigd in contact met materie, – en wijst erop dat we iets heel groots op het spoor zijn.

De AMS bevindt zich buiten het ISS, (ronde module links) zodat het ongestoord kosmische straling kan waarnemen. Bron: NASA

Pulsars of antimaterie?
Positronen komen gewoonlijk vrij bij zeer energierijke processen. Om uit het niets een elektron-positronpaar te scheppen, moet er een energie van 1,022 MeV worden toegevoerd – de energie die een elektron zou krijgen als deze door 1 022 000 volt potentiaalverschil loopt. Deze voltages komen bij onweer voor en er ontstaat daardoor ook enige antimaterie bij bliksemontladingen.

Op dit moment zijn er twee kandidaatverschijnselen die deze overmaat kunnen verklaren: pulsars en de annihilatie van donkere materiedeeltjes. Pulsars zijn zeer snel, tot honderden malen per seconde, rondtollende neutronensterren met een extreem krachtig magnetisch veld. Het snel rondtollende magnetische veld zweept elektronen sterk op, waardoor veel energie vrijkomt (we nemen deze waar als röntgenstraling). In principe is dit voldoende energie om positronen te laten ontstaan.

Een tweede mogelijkheid is dat bepaalde donkere-materiedeeltjes elkaar ontmoeten en annihileren. Dat kan, als het deeltje een Majorana-type deeltje is, m.a.w. zijn eigen antideeltje is. Hierbij komt zoveel energie vrij, dat er uit deze energie elektron-positron paren kunnen ontstaan.

De hoeveelheid gemeten positronen door AMS bij hoge energie is veel en veel groter dan verwacht (grijze vlak). Bron: PRL

Hoe weten we wat de werkelijke bron is van deze positronen?
De meer dan 400.000 positronen hebben een bepaalde snelheidsverdeling, m.a.w. ze vormen een spectrum. Elke bron kent zijn eigen type spectrum. Als de positronen afkomstig zijn van pulsars, dan zal hun snelheid nooit de maximale zwiep die een pulsar mee kan geven, minus de vormingsenergie, overschrijden. Ook zijn de gemiddelde pulsarsnelheden van de pulsars in ons melkwegstelsel nauwkeurig bekend, waardoor astrofysici precies kunnen voorspellen hoeveel energie positronen in pulsars gemiddeld mee kunnen krijgen.
Zijn de positronen afkomstig van donkere materie, dan is hun snelheidsverdeling afhankelijk van de massa van de donkere-materiedeeltjes die elkaar vernietigen. Van diverse kandidaat-donkere-materie deeltjes is deze massa in grote lijnen bekend; het spectrum kan dus uitsluitsel geven om welk type donkere-materiedeeltje het gaat.

Aan de zeshonderd natuurkundigen onder leiding van Nobelprijswinnaar Samuel Ting, die de data van het apparaat analyseren, is nu de taak om uit te vinden welke bron verantwoordelijk is.  Dit kan ook een heel andere bron zijn waar we nu nog helemaal niet aan denken. Dit zou niet de eerste keer zijn in de geschiedenis van de wetenschap. Zo zijn er, naar het zich nu laat aanzien, enorme elektrische stromen op kosmische schaal actief. Ting denkt in de tweede helft van 2013 meer te kunnen zeggen.

Bron:
Viewpoint: Positrons galore, Physical Review Letters (2013)
M. Aguilar et al. (AMS Collaboration), “First Result from the Alpha Magnetic Spectrometer on the International Space Station: Precision Measurement of the Positron Fraction in Primary Cosmic Rays of 0.5–350 GeV,” Phys. Rev. Lett.110, 141102 (2013).

UPDATE: ‘Donkere materie bestaat toch wel’

De nauwkeurigste zoektocht ooit naar donkere materie in de omgeving van de zon, wijst uit dat er geen enkel zwaartekrachtseffect van donkere materie is. Dit terwijl donkere-materiemodellen deze wel voorspellen. Astronomen en natuurkundigen ziten nu met de handen in het haar. Alleen afwijkingen in de zwaartekrachtstheorie – of een totaal nieuwe natuurkunde – lijken nog soelaas te bieden.

De Melkweg wordt omringd door een onzichtbare halo van donkere materie. Deze moet het vreemde rotatiegedrag van de Melkweg verklaren. bron: ESO

Bizarre snelle draaiing
Met sterrenstelsels zoals de Melkweg is wat merkwaardigs aan de hand. Het buitenste deel lijkt in verhouding veel sneller te draaien dan het binnenste deel. Dit is niet wat je zou verwachten. Immers, de zwaartekracht in het binnenste deel van het sterrenstelsel is veel sterker dan in de buitenste delen. Je zou dus verwachten dat het binnenste deel veel sneler zou draaien dan het buitenste deel. Dat blijkt niet het geval. De reden is, vermoeden astronomen, een grote onzichtbare halo van ‘donkere materie’: materie die niet reageert op zichtbare materie, maar wel zwaartekracht uitoefent. Het binnenste deel van het Melkwegstelsel merkt niets van de donkere materie in het buitenste deel, omdat de zwaartekracht daarvan zichzelf opheft. Sterren en andere objecten aan de rand van het sterrenstelsel merken die invloed uiteraard wel, waardoor ze veel sneller rond het centrum van de Melkweg draaien dan verwacht kan worden als er geen donkere materie zou zijn.

Door nauwkeurige metingen te doen aan sterren en hun bewegingen, kunnen astronomen een globale indruk krijgen van de zwaartekrachtsvelden waardoor deze sterren worden beïnvloed en dus de donkere-materieverdeing in bijvoorbeeld onze eigen Melkweg. Deze heeft veel weg van een bolvormige halo, die in het centrum veel dichter is dan aan de randen.

Op zoek naar de zwaartekracht van donkere materie
Volgens het gebruikelijke donkere-materiemodel bevindt zich ongeveer vier keer zoveel donkere materie als zichtbare materie in het heelal (en ongeveer ook in die verhouding in de Melkweg). Dit betekent ook, dat er de nodige donkere materie moet zijn in het gebied rond de zon. De invloed daarvan moet merkbaar zijn op de bewegingen van sterren. Precies dat is nu onderzocht. Een team astronomen gebruikte de (vrij kleine) MPG/ESO 2.2-meter telescoop op ESO’s La Silla Observatory, in combinatie met andere telescopen. Hierbij maten ze zeer precies de bewegingen van meer dan 400 sterren tot op 13 000 lichtjaar afstand van de zon. Met behulp van deze nieuwe data berekenden ze de massa van het materiaal in de nabijheid van de zon, een volume dat vier keer zo groot is als in eerdere onderzoeken. Volgens de donkere-materietheorie zweeft er in een volume zo groot als de aarde rond een kilogram donkere materie. Niet veel, maar gezien de enorme omvang van het bestudeerde volume, is het totaaleffect toch enorm.

Spoorloos
Naar bleek, was de hoeveelheid massa, afgeleid van de gemeten zwaartekracht, precies gelijk aan wat verwacht kon worden aan de hand van de massa van bekende sterren, stofwolken en gaswolken in dit gebied. Er bleek geen spoor van donkere materie aanwezig, aldus teamleider Christian Moni Bidin (Departamento de Astronomía, Universidad de Concepción, Chili). Volgens de berekeningen moest de donkere materie opduiken en sterbewegingen verstoren. Dit bleek niet te gebeuren: de sterren gedroegen zich precies zoals verwacht kon worden aan de hand van de bekende zwaartekrachtsbronnen. Dit is heel vervelend voor astronomen, want donkere materie vervult nu al een glansrol in allerlei theorieën die het ontstaan van sterrenstelsels beschrijven. Die kunnen dus waarschijnlijk de prullenbak in. Ook onze hoop om donkere materie door middel van zeer gevoelige ondergrondse deeltjesdetectoren te ontdekken, is waarschijnlijk tevergeefs.

Andere verklaring
Als donkere materie de waargenomen effecten niet verklaart, moet er wat anders aan de hand zijn. Een klein aantal natuurkundigen gelooft dat de zwaartekracht zich op zeer grote afstanden anders gaat gedragen: MOND (MOdified Newtonian Dynamics). Interessant is dat dit een (miniem) effect op de baanbewegingen van de ruimtesondes Pioneer 10 en Pioneer 11 moet hebben. Hierover is dan ook een vinnig debat aan de gang: volgens de meeste natuurkundigen worden de afwijkingen veroorzaakt door warmtestraling, die de ruimtesondes een zetje geeft. Zoals Sir Arthur Conan Doyle zijn held Sherlock Holmes al liet zeggen: als het onmogelijke is uitgesloten, wordt het onwaarschijnlijke waarschijnlijk. We zullen dus dit soort verklaringen – of nog veel verder gaande verklaringen, zoals die van Erik Verlinde of Arto Annila – serieus moeten gaan onderzoeken.

UPDATE: Fout in berekeningen
Zoals vaker in de wetenschap is ook dit resultaat niet zo solide als het oorspronkelijk leek. Toen een andere groep onderzoekers de berekening naliep bleek er wel degelijk donkere materie aanwezig. Wordt vervolgd.

Bron
Moni Bidin C., Carraro, G., Méndez, R.A., & Smith, R., Kinematical and chemical vertical structure of the Galactic thick disk II. A lack of dark matter in the solar neighborhood, arXiv:1204.3924 (2012)

Het A520 mysterie

Donkere materie blijkt soms veel stroperiger te zijn dan tot nu toe gedacht. Wat gebeurt er in het donkere hart van A520? Nieuwe waarnemingen maken het raadsel alleen nog groter.

Het raadsel van supercluster A520
A520 is een galactische supercluster, dat wil zeggen: behorende tot de grootste structuren die we in het heelal kennen. A520 is het product van de botsing van enkele superclusters.

Nu is er met A520 wat vreemds aan de hand. Astronomen bestudeerden de zwaartekrachtsverdeling in Abell 520 door de zwaartekrachtslenswerking van de materie in A520 te analyseren met de Hubble ruimtetelescoop.

A520 kent zes massacentra (zie cijfers). De totale doorsnede is rond de 4 miljoen lichtjaar.

Onverklaarbare klontering donkere materie
Superclusters bevatten, zoals alle groepen melkwegstelsels, naast materie, een veelvoud aan donkere materie.  Analyses van eerdere  botsingen wezen uit dat de bijbehorende wolken donkere materie door elkaar bewogen. Bij deze botsing klontert de donkere materie echter opeen in het centrum, een verschijnsel dat nog nooit eerder is waargenomen. Ook zendt dit gebied erg veel röntgenstraling uit (de rode gloed in de afbeelding).

Dit maakt het raadsel van wat donkere materie eigenlijk is, alleen maar groter. Klaarblijkelijk gedraagt deze zich verschillend in omstandigheden die in grote lijnen sterk op elkaar lijken. In sommige gevallen lijkt het zich als een weerstandsloos fluïdum te gedragen, in dit geval meer als een gaswolk (zij het dan dat er van excessieve stervorming geen sprake is).

Mogelijke verklaringen
Door de onderzoekers zijn verschillende mogelijke verklaringen genoemd, die echter ook volgens de onderzoekers zelf geen van alle erg bevredigend zijn. Zo betekent deze waargenomen massaverdeling, ook uit eerdere metingen, dat de opeenhoping niet door donkere materie die met zichzelf reageert veroorzaakt kan zijn. Het is ook mogelijk dat dit cluster toevallig erg rijk is aan donkere materie. Diot zou dan wel het eerst bekende cluster ooit zijn waarvoor deze uitzonderlijke verhouding geldt, dus ook dit is een minder waarschijnlijke verklaring. Ook de aanwezigheid van een dun filament is mogelijk (maar ook hier: minder waarschijnlijk). Hopelijk wijst toekomstig onderzoek uit wat de precieze oorzaak is.

Bron
H. Hoekstra et al., A Study of the Dark Core in A520 with Hubble Space Telescope: The Mystery Deepens, Arxiv (2012)

Dutch