Theo M Nieuwenhuizen

Waaruit bestaat donkere materie?
Dr. Theo M. Nieuwenhuizen
Instituut voor Theoretische Fysica
Universiteit van Amsterdam
Sterrenwacht Vesta
Oostzaan, 17-10-2009
Inhoud
Wat is donkere materie?
Waar zit het?
Twee vormen van donkere materie: Macho’s of Wimp’s
Zoektochten
De oplossingen
Ontdekking van donkere materie
• 1932 Jan Oort Leiden: beweging in ons melkwegstelsel
gaat “te snel”
• Loodrecht op het vlak: sterren zouden weg moeten schieten
• In het vlak: ze zouden uit de bocht moeten vliegen
• Verklaring: er is meer materie dan we zien: donkere materie
1900 - 1992
• 1932 Fritz Zwicky: clusters van melkwegstelsels
• Ze draaien te snel om elkaar
• Verklaring: er is donkere materie
1898 - 1974
Rotatie van melkwegstelsels
Rotatiesnelheid vrijwel onafhankelijk van
positie
Andromeda Nevel in Ultraviolet
Planeet
Afstand tot zon
Mercurius
0.45 AE
Aarde
1 AE
30 km/s
Jupiter
5 AE
13 km/s
p
Omloopsnelheid
48 km/s
In zonnestelsel gaan buitenplaneten
langzamer
In melkwegstelsels moet er dus materie
buiten het centrum zijn
Waar zit de donkere materie?
Verklaringen
Planeten? MACHOs:
Massive Astrophysical Compact Halo Objects
Zware deeltjes (“koude donkere
materie”) ?
WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles
Wet van Newton geldt niet?
Hydrodynamica, vloeistofmechanica
Hydrodynamica
400.000 jr na oerknal: oerplasma wordt gas (waterstof,
He)
Jeans 1904: vorming oer-clusters
valtijd  1 / dichtheid
doorsnee  geluidssne lheid  valtijd
massa  100.000 zonsmassa
Gibson 1996: Viscositeit leidt tot fragmentatie in gasbollen
met aardmassa
Indien gasbollen samenklonteren ontstaan sterren,
Jeans cluster wordt zichtbaar als bolvormige sterrenhoo
De meeste gasbollen koelen af en bevriezen,
hun clusters zijn onzichtbaar

Sir James
Hopwood
Jeans
1877-1946
Carl H.
Gibson
* 1935
100.000.000 Jeans clusters om Melkwegstel, 300 zichtbaar
Die clusters vormen de galactische donkere materie.
2
Isotherme 1/ r dichtheidsverdeling verklaart de grote
rotatiesnelheden ver van het centrum
Ca 2000 objecten met aardmassa
waargenomen in microlensing
Rudy E.
Schild
*1942
Helix planetaire nevel
Ontplofte ster
Werd witte dwerg
Ca 40.000
“cometaire knopen”
= oer-gasbollen
Ca 1 aardmassa
Galactische donkere
materie = gasbollen
met
NGC-2623: Twee melkwegstelsels in elkaars donkere
materie?
Oerclusters opgewarmd: nieuwe sterren in jonge sterrenhopen
Cluster donkere
materie
Abell 1689 cluster
van melkwegstelsels
“Dichtbij” z = 0.184
Einstein ring
Incomplete
Einstein ring
op 100/h kpc
Abell 1689
Centrum
Donkere
materie
werkt als
kristallen
bol
Incomplete
Einstein ring
op 143 kpc
Abell 1689
Centrum
Donkere
materie
werkt als
kristallen
Bol
oudste melkwegstelsel 12.8 miljard jaar
Hubble, na de laatste reparatie mei
2009
Abell
370
Sterkste
gravitatie
-lens
Beschrijving lensdata van Abell 1689
Th.M. N. ’09: Beschouw quantumdeeltjes (fermionen)
in elkaars gravitatie bij een te bepalen temperatuur.
Maat
voor
locale
massadichtheid
Limousin et al, ApJ 2007
Tyson and Fischer ApJ 1995
afstand tot centrum
Neutrino’s veroorzaken die
lenswerking
Bekende deeltjes: proton, electron, neutron,
foton
Neutrino “neutrontje”: ongeladen deeltje
Voorspeld in 1930 door Pauli
Lichtste van alle deeltjes (niet massaloos!)
Massa nu voorspeld
uit 2,7
Abell
cluster:
m 1,5 eV
10361689
kg
Massa tussen 0,2 eV en 2 eV wordt gevonden in
 (2012)
Karlsruhe
De grootste quantumstructuur in het
heelal
genormeerde dichtheid:
# neutrino’s
per kubieke thermische
lengte
per vrijheidsgraad
N>1: quantum ontaard
N=1: quantum—klassiek overgang
op r = 505 kpc = 1.6 miljoen lichtjaar
d = 2r
= 3.2 miljoen lichtjaar
Dat is best wel groot …
Incomplete
Einstein ring
op 143 kpc
Abell 1689
Centrum
Samenvatting
Twee soorten: Oort en Zwicky Donkere Materie
• Oort Donkere materie:
• Donkere materie van melkwegstelels is gewone materie.
Bevroren gasklompen van aardmassa (MACHO’s), en die
weer in clusters van ca 100.000 zonsmassa’s.
• Ca 100 miljoen van die clusters om ons melkwegstelsel.
Ca 300 zichtbaar als bolvormige sterrenhopen.
• Dwergstelselprobleem (10.000 sterren, veel donkere materie)
opgelost: Daar zitten nog veel donkere clusters
Samenvatting
• Oort Donkere materie in melkwegstelsels
• Zwicky Donkere Materie in clusters van melkwegstelsels:
“nieuw” deeltje: neutrino met massa 1,5 eV (WIMP)
• Vele zoektochten naar allerlei (zware) deeltjes waren
vruchteloos: massa = keV, MeV, GeV, TeV, PeV
ADMX, ANAIS, ArDM, ATIC, BPRS, CAST, CDMS, CLEAN, CRESST,CUORE,
CYGNUS, DAMA, DEEP, DRIFT, EDELWEISS, ELEGANTS, EURECA,
GENIUS, GERDA, GEDEON, GLAST, HDMS, IGEX, KIMS, LEP, LHC, LIBRA,
LUX, NAIAD, ORPHEUS, PAMELA, PICASSO, ROSEBUD, SIGN, SIMPLE,
UKDM, XENON, XMASS, ZEPLIN. DAMIC, FERMI, ICECUBE, VERITAS.
• Neutrino massa 0,2 eV – 2 eV wordt gezocht in Katrin
experiment in Karlsruhe (2012).
Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter?
Th. M. N.
Europhysics Letters 86 (2009) 59001
Psalm 118:22
De steen die de werklieden weg
wierpen is de hoeksteen geworden
KArlsruhe TRItium Neutrino
Experiments