donkere materie

De onregelmatige vorm van NGC 4254 wordt veroorzaakt doordat een donkere-materie melkwegstelsel het uit elkaar trekt, denken sommige astronomen.

Melkwegstelsel omringd door talloze onzichtbare melkwegstelsels

Laat een reactie achter / Universum, Wetenschap / Door / 25 maart 2011

In 2006 werd een enorme wolk waterstofgas ontdekt die dit melkwegstelsel in ongeveer vijftig miljoen jaar zal bereiken. Deze wolk is vermoedelijk niet de enige. De melkweg wordt omringd door vele onzichtbare dwergmelkwegstelsels die vrijwel alleen uit waterstofgas bestaan. En veel, heel veel donkere materie…

Donkere dwergmelkwegstelsels
Volgens donkere-materie modellen moet ons heelal krioelen van ophopingen donkere materie met nauwelijks sterren. Koud waterstofgas, zoals dat in de interstellaire ruimte voorkomt, is optisch onzichtbaar.

De onregelmatige vorm van NGC 4254 wordt veroorzaakt doordat een donkere-materie melkwegstelsel het uit elkaar trekt, denken sommige astronomen.
De onregelmatige vorm van NGC 4254 wordt veroorzaakt doordat een donkere-materie melkwegstelsel het uit elkaar trekt, denken sommige astronomen.

Het eerste “onzichtbare” dwergmelkwegstelsel,  VIRGOHI 21, werd daarom met de Nederlandse radiotelescoop van Westerbork ontdekt. Dit melkwegstelsel bevat extreem weinig sterren. De massa blijkt daarentegen groot: alleen al het waterstofgas is voldoende om honderd miljoen zonachtige sterren te vormen: een duizendste van de massa van de Melkweg. De snelheid waarmee VIRGOHI 21 ronddraait is echter veel te hoog om verklaard te kunnen worden door het waterstofgas. Er moet ongeveer vijfhonderd keer meer onzichtbare materie zijn dan direct wordt waargenomen. Het naburige stelsel NGC 4254 ziet er erg onregelmatig uit. Vermoedt wordt dat de zwaartekracht van de grote hoeveelheid donkere materie van VIRGOHI 21, het naburige stelsel NGC 4254 uit elkaar trekt.

Niet alle astronomen zijn het overigens een met deze interpretatie. Volgens sommigen gaat het hier om draaikolken in het kielzog aan gas dat om het vlak van het melkwegstelsel heen hangt, losgetrokken door het passeren van een ander melkwegstelsel. Dit zou ook de hoge gemeten schijnbare rotatiesnelheden verklaren.

Animatie

Bijvultanks voor melkwegstelsels?
Een al langer bestaand raadsel is hoe melkwegstelsels nog zo lang door kunnen gaan met stervorming. Astronomen denken nu dat deze bijna onzichtbare dwergstelsels melkwegstelsels ‘bevoorraden’ met waterstofgas. Veel gas wordt namelijk opgestookt bij de vorming van sterren. Volgens berekeningen zou de snelheid van stervorming in melkwegstelsels na ongeveer een miljard jaar sterk dalen. Als ons melkwegstelsel (en andere) geregeld wordt ‘bijgevoerd’ met vers gas uit dit soort donkere dwergmelkwegstelsels (als ze dat inderdaad zijn), dan zou dat verklaren waarom ook nu, na vele miljarden jaren, ons melkwegstelsel nog steeds niet ten dode is opgeschreven.

Bronnen
Daily Galaxy
Robert Minchin, Arecibo
Berkeley universiteit

Een puzzel van galactisch formaat: waarom draaien de sterren vlak bij het centrum zo langzaam?

Gedrag melkwegstelsels niet te verklaren met donkere materie

10 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 24 februari 2011

De combinatie van donkere materie, onzichtbare massa die alleen door middel van haar zwaartekracht invloed uitoefent en donkere energie, die de plotseling snelle uitzetting van het heelal moet verklaren, is op dit moment het meest populair om het gedrag van het heelal te verklaren. Gasrijke melkwegstelsels, een type melkwegstelsel met weinig sterren maar veel gaswolken, blijken echter veel beter te beschrijven met de alternatieve zwaartekrachtstheorie MOND. Spannende tijden…

Het fundamentele probleem: waarom draaien de sterren aan de binnenkant van melkwegstelsels niet sneller rond?
Melkwegstelsels gedragen zich vreemd.

Een puzzel van galactisch formaat: waarom draaien de sterren vlak bij het centrum zo langzaam?
Een puzzel van galactisch formaat: waarom draaien de sterren vlak bij het centrum zo langzaam?

Volgens de zwaartekrachtstheorieën van Newton en Einstein moeten sterren die zich vlakbij het centrum van de melkweg bevinden veel sneller rond draaien dan ze in werkelijkheid doen. In het zonnestelsel is dat bijvoorbeeld zo: de binnenplaneet Mercurius beweegt veel sneller in haar baan dan de aarde. Dit blijkt echter niet te kloppen voor melkwegstelsels: buiten de ‘bulge’ blijken de omloopsnelheden van sterren veel minder sterk af te nemen dan voorspeld door Newton en Einstein. Iets moet er dus voor zorgen dat sterren zich zo vreemd gedragen.

Donkere materie?
Volgens donkere-materie aanhangers is dat onzichtbare materie: materie die we niet kunnen waarnemen, behalve door de zwaartekracht. Volgens theorieën hangt er rond elk melkwegstelsel een bolvormige wolk donkere materie. Sterren die ver van de kern afstaan, worden aangetrokken door bijna de hele wolk en draaien dus sneller dan sterren die vlak bij de kern staan (waar de aantrekkingskracht van het grootste deel van de wolk elkaar opheft – als je in het centrum van de aarde zou staan zou je ook niets wegen, dit heet de schilstelling). Donkere materie vliegt door ons heen zonder dat we er wat van kunnen merken. Volgens theorieën zou er vier keer zoveel donkere materie zijn als ‘gewone’ zichtbare materie.  Een belangrijke uitdaging voor de moderne natuurkunde is het vinden van deeltjes die in aanmerking komen om als donkere materie dienst te doen.

Of kloppen onze zwaartekrachtwetten op grote schaal gewoon niet?
Andere kosmologen denken dat het verschijnsel wordt veroorzaakt omdat zwaartekracht zich op zeer grote afstanden anders gedraagt dan door Newton en Einstein voorspeld.

Het reusachtige elliptische melkwegstelsel NGC 1316 is vermoedt men ontstaan doordat gasrijke stelsels met elkaar botsten.
Het reusachtige elliptische melkwegstelsel NGC 1316 is vermoedt men ontstaan doordat gasrijke stelsels met elkaar botsten.

De populairste theorie is MOND, modified newtonian dynamics. MOND voorspelt redelijk nauwkeurig het gedrag van alle typen melkwegstelsels: elliptische stelsels, spiraalstelsels en onregelmatige stelsels. MOND bleek echter niet te kloppen voor nog grotere structuren zoals galactische clusters en superclusters (groepen melkwegstelsels). Ook een botsing van twee melkwegstelsels leverde gedrag op dat niet consistent was met MOND.

Een steuntje in de rug voor MOND is een recente ontdekking van astronoom Stacey McGouch dat MOND het gedrag van gasrijke melkwegstelsels nauwkeuriger verklaart dan welke donkere-materie theorie ook. Gaswolken vormen de kraamkamers van sterren: bevat een melkweg veel gas, dan kunnen zich hierin veel sterren vormen. Het probleem bij eerdere testen van MOND is het gebrek aan meetnauwkeurigheid van stermassa’s in melkwegstelsels. Dit probleem doet zich niet voor bij metingen aan gaswolken. De manier waarop gaswolken tussen sterren licht uitzenden is nauwkeurig bekend, waardoor de massa en rotatiesnelheden van de melkwegstelsels nauwkeurig geschat kunnen worden.
Deze metingen werden bij zevenenveertig gasrijke melkwegstelsels uitgevoerd en inderdaad bleek MOND de waarnemingen het beste te verklaren. Probleem blijft wel dat op zowel kleinere (tot de grootte van het zonnestelsel is MOND maar infinitesimaal weinig afwijkend) als grotere (het gedrag van clusters en superclusters) schaal de bestaande zwaartekrachtstheorieën nauwkeuriger zijn dan MOND. Wat dan de merkwaardige dans van melkwegstelsels wél verklaart? Wie hier het antwoord op weet, kan waarschijnlijk alvast gaan nadenken over wat hij met zijn Nobelprijs gaat doen…

Bron: Physorg/Arxiv

Eén van de dertien raadselachtige botsingen.

Kandidaatdeeltje donkere materie gevonden?

18 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 27 januari 2011

De spanning loopt op bij de LHC-onderzoekers in Genève. Geen wonder. Uit drieduizend miljard botsingsproeven, gedaan in de compact muon solenoid-detector, zijn ondertussen een dertiental afwijkende botsingen gezeefd. De resultaten zijn het makkelijkst te verklaren door aan te nemen dat de lichtste van de hypothetische sparticles, voorspeld door de supersymmetrie theorie, echt bestaat.

Supersymmetrie
Op dit moment zijn er twee grote natuurkundige theorieën. Einsteins algemene relativiteitstheorie die de zwaartekracht beschrijft en het standaardmodel, dat bestaat uit de drie kwantumveldtheorieën die de overige drie krachten: de elektromagnetische kracht (QED), de zwakke kracht en de sterke kracht(QCD) beschrijven.

Eén van de dertien raadselachtige botsingen.
Eén van de dertien raadselachtige botsingen.

Alle pogingen om algemene relativiteit te verzoenen met het standaardmodel hebben gefaald. Wel is de speciale relativiteitstheorie naadloos in de kwantumelektrodynamica verwerkt.

Volgens de supersymmetrie theorie (SUSY) kent ieder deeltje uit het Standaardmodel een superpartner: zo heet een superelektron een selectron, een superquark een squark enzovoort.

Superdeeltjes, sparticles, verschillen van normale deeltjes omdat hun spin, ‘draairichting’, een half afwijkt van die van normale deeltjes. Het gevolg: bosonen veranderen in fermionen en andersom. Je krijgt dan heel vreemde materie: lichtdeeltjes (fotino’s) die elkaar afstoten en superneutronen die door elkaar heen kunnen vliegen. Super-atomen en super-levensvormen zien er (als ze al bestaan) heel anders uit dan die van ons. En kunnen dwars door ons heen vliegen zonder dat we het merken.

Deze superpartners hebben voor kosmologen de prettige eigenschap dat ze alleen maar door de zwaartekracht waar te nemen zijn, een ideale kandidaat voor de mysterieuze donkere materie dus zonder dat ze hun toevlucht hoeven te zoeken tot alternatieve zwaartekrachtstheorieën als MOND. Om het prille geluk helemaal compleet te maken: het lichtste sparticle  is ook stabiel.

In de Large Hadron Collider worden protonen, waterstofkernen, met extreem hoge energie met elkaar in botsing gebracht. De filosofie achter de proeven is dat in een klein deel van de gevallen de botsingsenergie zal worden gebruikt om nog onbekende deeltjes te produceren.

Een deeltje dat op bijna geen enkele wijze reageert met ‘normale’  materie is behalve door de zwaartekrachtswerking, maar op één effectieve manier waar te nemen: door het plotseling verdwijnen van energie en moment (beweging maal massa), op het moment dat het gevormd wordt. Op deze manier is het neutrino ook ontdekt.
Dit is precies wat er in de dertien botsingen gebeurd is. Er is precies zoveel energie en moment verdwenen als volgens de supersymmetrietheorie wordt voorspeld.

Dertien is niet erg veel en om een statistisch significant meetresultaat te bereiken moeten de botsingsproeven nog even doorgaan. Dat dit een veelbelovende eerste ontwikkeling is op weg naar een nieuwe natuurkunde, staat echter buiten kijf.

NGC 2998 kent nauwelijks een bobbel. Een mooie test om vast te kunnen stellen of donkere materie misschien iets te maken heeft met zwarte gaten.

Bestaat donkere materie wel?

3 reacties / Universum, Wetenschap / Door / 27 januari 2011

Wetenschappers hebben verbanden gevonden tussen de grootte van het zwarte gat in het centrum van een melkwegstelsel en de omvang van de “bobbel” in het centrum van een melkwegstelsel. Ook vonden ze verbanden tussen de grootte van de spiraalschijf en de hoeveelheid donkere materie. Wat echter ontbreekt, blijkt uit de nieuwste analyses, is een verband tussen de grootte van het zwarte gat in het centrum en de hoeveelheid donkere materie.

Dat is vreemd. Immers: als er vijf keer zoveel donkere materie is als zichtbare materie (wat de meeste kosmologen geloven), zou je verwachten dat er veel meer donkere materie dan zichtbare materie door zwarte gaten opgeslokt zou worden, m.a.w. dat er een sterk verband bestaat tussen de hoeveelheid donkere materie en de grootte van de zwarte gaten.

NGC 2998 kent nauwelijks een bobbel. Een mooie test om vast te kunnen stellen of donkere materie misschien iets te maken heeft met zwarte gaten.
NGC 2998 kent nauwelijks een bobbel. Een mooie test om vast te kunnen stellen of donkere materie misschien iets te maken heeft met zwarte gaten.

In een nieuwe analyse hebben de Duitse astronomen John Kormendy en Ralf Bender aan het Duitse Max Planck Instituut voor buitenaardse fysica het antwoord gevonden. Ze bestudeerden zes naburige melkwegstelsels die wel een zwart gat bevatten maar geen bobbel, zoals de hier getoonde NGC 2988. Ze deden dit om te kunnen vaststellen of bij het ontbreken van de gebruikelijke correlatie met een bobbel (zoals bij deze zes ontbrak), zwarte gaten wellicht worden verklaard door de hoeveelheid donkere materie. Voorlopige conclusie: een dergelijke correlatie is afwezig.  Hoeveel donkere materie ook aanwezig is, het heeft geen invloed op de grootte van zwarte gaten.  Er bestaat slechts een correlatie met het melkwegstelsel zelf: hoe groter het melkwegstelsel, hoe groter het zwart gat.

Dit is uiteraard koren op de molen van de aanhangers van de zwaartekrachtstheorie MOND, modified Newtonian dynamics. Volgens hen bestaat er helemaal geen donkere materie. De reden dat er iets als donkere materie lijkt te bestaan, heeft domweg te maken met het gedrag van de zwaartekracht, dat volgens MOND heel anders is op enorme afstanden zoals die in de Melkweg. De implicaties van het niet bestaan van donkere materie zouden enorm zijn. Bestaat er niet iets als donkere materie, dan kunnen heel wat kosmologische theorieën op de schroothoop. Onze voorspellingen over hoe het heelal er in de verre toekomst uit zal zien, kloppen dan bijvoorbeeld niet meer.

Bron: ArXiv blog

De zonnevlam van vijf december 2006 was buitengewoon fel en spectaculair.

Donkere materie en zonnevlammen

17 reacties / Ideeën en techniek, Universum, Wetenschap, Zonnestelsel / Door / 9 januari 2011

Het was een van de ontdekkingen die in 2010 natuurkundigen flink hoofdpijn bezorgden. Efraim Fischbach, onderzoeker aan Purdue Universiteit ontdekte op toevallige wijze iets wat tot nu toe door natuurkundigen als ketterij werd beschouwd: de radioactieve vervalsnelheid is niet altijd constant.

Uit onderzoek blijkt namelijk dat bepaalde radioactieve isotopen (silicium-32 en radium-226, het getal achter het streepje geeft het totale aantal kerndeeltjes aan)  in de winter tienden van procenten sneller uit elkaar vallen dan in de zomer, m.a.w. hun halfwaardetijd in de winter is korter dan in de zomer. Fischbach verklaart dat uit de kleinere afstand tot de zon in de noordelijke winter (147 miljoen kilometer vergeleken met 152 in de noordelijke zomer waardoor naar schatting 3% meer zonneneutrino’s de aarde raken in januari dan in juli).

Volgens de bestaande natuurkundige theorieën beïnvloeden neutrino’s de genoemde reacties niet. Alleen de kans dat een atoomkern uit elkaar valt is bekend. Dit wordt de halfwaardetijd genoemd: de tijd waarin de helft van de atoomkernen uit elkaar gevallen is. Na twee keer de halfwaardetijd is driekwart uit elkaar gevallen enzovoort. Van zeer radioactieve stoffen is de halfwaardetijd een fractie van een seconde, van de vrij stabiele isotopen uranium-238 en thorium-232 bedraagt deze miljarden jaren.

Zonnevlammen na dalen radioactiviteit
Dertien december 2006 werd een tweede aanwijzing gevonden toen de vervalsnelheid van de kortlevende isotoop mangaan-54 anderhalve dag voor het begin van een zonnevlam tot tijdens de zonnevlam, met tienden van procenten daalde. Het effect bleek onafhankelijk van de stand van de zon.

De zonnevlam van vijf december 2006 was buitengewoon fel en spectaculair.
De zonnevlam van vijf december 2006 was buitengewoon fel en spectaculair.

Een kilometer onder de Italiaanse granietberg Gran Sasso vindt het donkere-materie detectie-experiment DAMA plaats. In honderd kilo natrium-titaanjodide, een zout, wordt het aantal radioactieve reacties gemeten. Hier bleek in januari het aantal radioactieve reacties lager te liggen dan in juni. Wat zorgt er voor dat de hoeveelheid radioactieve reacties in de zomer hoger is dan in de winter?

Donkere materie
Volgens de meeste astronomen hangt er een onzichtbare halo donkere materie rond het melkwegstelsel. Deze halo bevat veel meer massa dan de zichtbare materie en verklaart waarom sterren vlak bij het galactisch centrum nauwelijks sneller ronddraaien dan sterren verder van het centrum.

De zon draait in ongeveer 225-250 miljoen jaar rond de kern van de melkweg. Op dit moment beweegt de zon met 220 km/s  in de richting van de ster Wega in het sterrenbeeld Hercules. De omloopbaan van de aarde maakt een hoek van rond de zestig graden met de omloopbaan van de zon rond de melkweg. In juni beweegt de aarde het meest in de richting van Wega en veegt dan de meeste donkere materie op. In januari beweegt de aarde juist het meest tegen de beweging van de zon in waardoor minder donkere materie wordt geschept.

Vermindert donkere materie bepaalde vormen van radioactiviteit?
Het is niet logisch dat een kortere afstand tot de zon leidt tot een verhoogde radioactiviteit. Dit is ook ontkracht door metingen aan de plutoniumreactor aan boord van de ruimtesonde Cassini die nu Saturnus fotografeert: de radioactiviteit bleek niet verminderd ook op grote afstand van de zon. De correlatie met DAMA spreekt echter een heel andere taal. Toevallig stemmen de punten waarop de aarde maximaal tegen de galactische draairichting in beweegt en de zon het dichtst nadert, redelijk nauwkeurig overeen.

Volgens sommige modellen is donkere materie oneffen verdeeld. Het is mogelijk dat een zeer snel bewegende wolk donkere materie van enkele  astronomische eenheden groot zorgde voor zowel magnetische explosies op de zon (door thermonucleaire reacties in de fotosfeer te verstoren) als een vermindering van de radioactiviteit op aarde.