2 - SRON

DONKERE MATERIE
Peter Hoyng
SRON UTRECHT
SRONHOVO 14-02-05
1
SRONHOVO 14-02-05
2
Waaruit bestaat het heelal ?
- van de ‘atomen’ is slechts 1/10 zichtbaar (0.5%)
rest is donker (d.w.z. optisch donker)
- donkere materie
 donkere atomen !
- hoe weten we dit en wat betekent het?
SRONHOVO 14-02-05
3
Gewone materie
electron (een
van de 6 leptonen)
p + n (1 tot 250)
proton, neutron
6 quarks
SRONHOVO 14-02-05
4
4 natuurkrachten
6 leptonen
(e,, ..)
- zwaartekracht
- electromagnetisme
- zwakke kernkracht
(radioactief verval)
- sterke kernkracht
6 quarks
wimps(?)
+
+
+
+
+
+
+
?
+
-
+
-
(houdt p,n & kern bijeen)
gewone materie
(‘atomen of baryonen’)
donkere
materie
donkere energie: eigenschap van vacuum
(kosmologische constante Λ)
SRONHOVO 14-02-05
5
Inhoud college
afstanden, helderheden
en spectra van sterren
en stelsels
massa die
we zien (ML)
snelheden, baanberekekeningen, grav. lenzen,..
massa die zwaartekracht uitoefent (MG)
kosmologie
- uitdijing
- kernreacties
- stelselvorming
- 3K achtergrond
er is donkere energie (Λ)
hoeveel gewone materie
er is donkere materie
hoeveel gewone materie,
donkere materie en energie
+ zoekpogingen naar DM
SRONHOVO 14-02-05
6
1. massabepaling: een stukje klassieke sterrenkunde
30 000 K
zon
6000 K
Hertzsprung-Russel
diagram
SRONHOVO 14-02-05
3000 K
7
nabije sterren:
- parallax
→ afstand D
- spectrum
→ temperatuur T
- dubbelsterren → massa’s M
M1
M2
- flux = lichtkracht L / (4πD2)
uit gemeten helderheid + kleurcorrectie
- verificatie o.a. door simulaties
- veronderstel HR diagram overal geldig
SRONHOVO 14-02-05
8
parallax
α = 1 boogsec (1/ 3600 graad)
* * ** **
α
“parallax van 1 boogsec”
*
dan D = 1 parsec (pc)
D
(1 pc = 3.3 lichtjaar)
bruikbaar tot 30 pc, paar 100
geschikte sterren
Hipparcos: 106 sterren
SRONHOVO 14-02-05
9
verre sterren: redenering omdraaien
gegeven helderheidsklasse en T:
L, M, D bekend tot 104 pc (ons melkwegstelsel)
nu kan je zichtbare M van ander stelsel schatten (ML)
p.m. afstanden stelsels:
- standaard lichtbronnen (cepheiden; tot 15 Mpc)
- Tully-Fisher methode (tot 200 Mpc)
- redshift z
SRONHOVO 14-02-05
10
2. verdeling v┴ van naburige sterren (Oort 1932)
d↨
meet
- ρL (ongeveer 25 M☼ per pc2),
- dikte d en f(v┴)
voor gegeven f(v┴) wordt d
kleiner als ρG toeneemt
 ρG
 50 M☼ per pc2
NGC 4565
in 1989 (gevoeliger apparatuur): ρL ↑ 50 M☼ per pc2
SRONHOVO 14-02-05
11
3. rotatiecurven spiraalstelsels
- sinds 1970 ook radio: veel gevoeliger !
G M(r) m /
r2
.
2
= m vrot / r
M(r)
zwaartekracht = centrifug. kracht
vrot = const → M(r)  r → ρ  1 / r2
mogelijk 10 - 100 x de zichtbare straal !
- ons stelsel: MG  10 x ML
- wat kan het zijn? Halo met gas, bruine dwergen,
oude witte dwergen, iets onbekends?
SRONHOVO 14-02-05
12
rotatiecurven
SRONHOVO 14-02-05
13
NGC 6946


SRONHOVO 14-02-05
wit: sterren (optisch
licht)
blauw: waterstofgas
(radio straling)
14
4. de staaf-instabiliteit
numerieke simulaties tonen aan dat
- schijfstelsel → staafinstabiliteit
- een min of meer sferische halo kan dit verhinderen
NGC 1300
M74
spiralen algemeen → dus (DM) halo’s ook ?
SRONHOVO 14-02-05
15
5. donkere materie in clusters (Zwicky 1933)
☺
als cluster gebonden is dan:
2R
(Δv)2 = G MG / R
breedte
snelheidsverdeling
cluster
massa
- MG  400 x som ML stelsels !
SRONHOVO 14-02-05
16
Hercules cluster
SRONHOVO 14-02-05
17
6. gravitatielenzen
☺
CL 0024+1654
Clusters: MG = paar 100 x Σ ML
SRONHOVO 14-02-05
18
Abell 2218
SRONHOVO 14-02-05
19
7. microlenzen
LMC
melkweg
LMC
☺
MACHO
ster
in LMC
MACHO = massive
compact halo object
monitor veld van 106 sterren → 15 microlenzen in 7
jaar → helft van DM halo bestaat uit 0.5 M☼ macho’s
SRONHOVO 14-02-05
20
herkennen:
- eenmalig en kleuronafhankelijk
- karakteristiek symmetrisch profiel
SRONHOVO 14-02-05
21
8. grootschalige snelheidsvelden
v = H0D + vp
- vp ontstaat door inhomogeniteiten
- analyse bevestigt eerder gevonden MG clusters
SRONHOVO 14-02-05
22
Tussenbalans
1. ρL / ρcrit
 0.005
is (onderdeel van) gewone materie
2. ρG / ρcrit
 0.3 - 1
alle materie (gewone + donkere)
(ρcrit komt nog ter sprake)
SRONHOVO 14-02-05
23
9. uitdijing heelal
v = H0D
ρcrit = 3H02 / 8πG
λ0
Ω = ρ / ρcrit
*
*
roodverschuiving z = (λ0 – λ) / λ
λ
hoeveelheid (donkere) materie
(ΩG) en donkere energie (ΩΛ)
beinvloedt verloop expansie in
de tijd.
SRONHOVO 14-02-05
24
gegeven z → verlopen tijd → afstand ;
vergelijk deze afstand met de gemeten afstand van
standaard lichtbronnen, i.e. bronnen met bekende L
(bijv. cepheiden, SN 1a, helderste lid cluster):
flux = lichtkracht L / (4πD2) → D
Hieruit:
H0 = 72 ± 8 km/s/Mpc
ΩΛ > 0
SRONHOVO 14-02-05
25
10. kernreacties tijdens oerknal
- in den beginne iets meer materie dan antimaterie; na annihilatie bestaat het heelal uit p, n, e + straling (+ DM,DE)
- als T < 109 K begint kernfusie, en is n / (n + p)  0.13
14 p op 2 n = 12 p op 1 He
(want 1 He = 2p+2n)
deze voorspelde He abondantie klopt goed met de
waarnemingen
SRONHOVO 14-02-05
26
de (kleine) hoeveelheid D, 3He en 7Li hangt af van
(
dichtheid n + p
toen
=
(
dichtheid straling
dichtheid n + p
(
(
dichtheid straling
nu
hieruit Ωn+p = ρn+p / ρcrit = 0.03 ± 0.015
atomen
terwijl ΩL = ρL / ρcrit

0.005
- conclusie: er zijn bijna 10 x zoveel atomen in het
heelal als we zien !
- wat is het?? bruine dwergen, oude witte dwergen,
koud gas, zwarte gaten, .. ??
SRONHOVO 14-02-05
27
11. vorming van stelsels
- kies ΩG (0.3, voorn. CDM)
ΩΛ (0.7, kosm. const.)
- kies δρ van atomen en CDM
δρ / ρ = (δT / T)CMB
 10-5
- CDM → atomen: stelselvorming komt niet op gang;
CDM is onmisbaar
kubus met L = 340 Mpc
- CDM → HDM: te weinig
kleine structuren
CDM in plak van L / 10 , nú
SRONHOVO 14-02-05
28
12. de hoekcorrelaties in de CMB
gemiddelde aftrekken:
‹›
δT = T - T
dan de ‘voorgronden’
‹δT(1) δT(2)›
middelen over alle richtingen
1,2 die hoek θ insluiten
SRONHOVO 14-02-05
29
v
d
p+e+straling (snelle
golven)
koude DM (langzame
golven)
recombinatie na
400.000 jaar, als
T = 3000 K
δT = - + -
straling vertrekt in alle richtingen; T-modulatie maximaal als
d = v x 400.000 jaar = λ / 2
piek bij θ  0.60; uit hoogten en posities pieken volgen Ω’s
SRONHOVO 14-02-05
30
Huidige situatie
ΩG
0.04
hiervan zien we 0.005 (ΩL)
rest: zoeken!
(ijl gas, macho’s, ..)
DM
0.23
onbekende materievorm
‘koud’ (WIMPs, ..)
DE
0.73
kosmologische constante
(quantum-zwaartekracht)
p, n , e
(atomen)
(Ωm)
ΩΛ
n.b. gevolgen voor de kosmologie
SRONHOVO 14-02-05
31
12. zoeken naar gewone donkere materie
NGC 6946
CDM simulatie
+ macho’s
RDCS 1252.9-2927
SRONHOVO 14-02-05
32
13. zoeken naar wimps
- stel melkweghalo bestaat uit neutralino’s, het lichtste
supersymmetrische deeltje, massa  50 mp (?)
- 5000 wimps per m3; snelheid tussen 250 en 600 km/s
- neutralino voelt alleen zwakke kernkracht (+ zwaartekr.)
wimp
terugstoot (warmte, licht, lading)
- ongeveer 1 – 10-5 events per kg per dag; jaarlijkse en
dagelijkse modulatie
- nodig: zeer lage achtergrond en grote detectormassa
SRONHOVO 14-02-05
33
- zo’n 20 groepen aktief; bijv. CRESST in Gran Sasso
SRONHOVO 14-02-05
34