Donkere Materie - Corona Borealis | Zevenaar

Donkere Materie
Een groot mysterie
Donkere Materie
  Al in 1933 toonde studie Fritz Zwicky dat 10-100
keer meer massa benodigd was om in clusters
sterrenstelsels bijeen te houden.
  Mogelijkheid dat dit ‘ontbrekende materie’ is, is
uitgesloten.
  Net als bij grote sterren stelsels is voor
bijeenhouden clusters van sterrenstelsels 5-6 keer
zoveel massa benodigd.
  Eigenlijk is onzichtbare materie een betere
omschrijving dan donkere materie
Donkere materie
  Rotatiesnelheid gas rond sterrenstelsels hoger dan
kan worden verklaard met massa sterrenstelsel
 
Donkere materie
Rotatiesnelheid in binnengebied bepaald door
zichtbare materie, daarbuiten door donkere materie.
Donkere materie
  Super massive black hole
in het midden
  Schijf met sterren gas en
stof
  Wolk met donkere materie
(grijs)
STERRENSTELSEL MOET 5-6 KEER ZOVEEL
DONKERE MATERIE ALS TRADITIONELE MATERIE
BEVATTEN!
Donkere materie
  Volgens algemene relativiteitstheorie Einstein zal (heel
veel) massa licht afbuigen.
  Aanwezigheid van donkere materie is aangetoond door
gravitational lensing.
Donkere materie
Materie verdeling
13,6 miljard jaar geleden
Heelal 380.000jaar oud
12%
15%
63%
10%
Atomen
Fotonen
Neutrino's
Donkere materie
Donkere materie
  In 1948 beweerde de rus George Gamow dat straling veroorzaakt door
oerknal nog aanwezig moest zijn.
  Eerste straling toen heelal transparant werd door invangen electronen
  Deze straling zou bij homogene materieverdeling in alle richtingen gelijk
moeten zijn
  Dit gebeurt bij 3000 graden. Door uitdijing heelal moeten wij dit nu
ontvangen als straling van 2,728 graden
  In 1964 is deze straling bij toeval ontdekt door Penzias en Wilson. Zij kregen
hiervoor in 1978 de nobelprijs voor de natuurkunde.
Donkere materie
Donkere materie
Kosmische achtergrondstraling
  Recente nauwkeurige metingen tonen dat intensiteit kosmische
achtergrondstraling toch niet geheel identiek is in alle richtingen..
  Met het heelal zoals wij dit nu waarnemen moeten er samenklonteringen in de
achtergrondstraling te zien zijn in afwijkingen van 1/100.000
  Deze samenklonteringen kunnen niet veroorzaakt zijn door gewone materie (gravitatie
waterstof en helium hiervoor te gering). Dus is het donkere materie
  Door gravitatie en uitdijing heelal leiden deze verschillen na 1 miljard jaar tot
vorming van clusters van sterrenstelsels.
  Maar ons huidige heelal had zich nooit kunnen vormen in 13,7 miljard jaar zonder
de gravitatie van donkere materie
Donkere materie
Kosmische achtergrondstraling
Temperatuurverschillen 380.000 jaar na de oerknal
Gravitatie maar iets dichtere gebieden worden nog dichter en ijlere gebieden worden nog ijler.
Dit worden de ‘Dark Ages’ genoemd
Door gravitatie gas zodanig gecomprimeerd dat kernfusie begint. De eerste sterren geven
licht (400 miljoen jaar jaar na oerknal).
Meer en meer sterren worden gevormd en groeperen zich rond concentraties donkere materie
in een kosmisch web
Heden: honderden miljarden sterrenstelsels vullen het heelal. Computersimulaties van
materieverdeling op basis van de kosmische achtergrondstraling onder invloed van gravitatie
en uitdijing heelal resulteert in wat wij nu waarnemen! Ook hier overigens klopte de simulatie
pas toen de juiste hoeveelheid donkere materie was ingevoerd.
Donkere materie
Millennium simulatie
Donkere materie
het kosmisch web
Donkere materie
3D millennium simulatie
Donkere materie
Bullet cluster:
-2 botsende clusters van
sterrenstelsels
- Gaswolken roze(X-ray),
optische waarnemingen wit/
oranje en donkere massa
(Grav. Lensing) blauw.
- Scheiding donkere en gewone
massa versus de gaswolken
•  gasdeeltjes van botsende sterrenstelsels blijven na botsing achter
terwijl sterren en donkere massa doorgingen.
• Dit is bewijs dat grootste deel materie van het Bullet cluster is
donkere materie. Sterren volgen de donkere materie en niet de
massieve centraal gelegen gaswolken.
Donkere materie
  Eigenschappen donkere materie
  Met uitzondering van gravitatiewerking geen enkele
interactie met deeltjes en krachten
  Is geen deeltje uit standaard model van
atoomdeeltjes.
  Gewone materie groepeert zich rond donkere materie.
  Donkere materie vormt een sponsachtig patroon in de
ruimte
  In de knooppunten bevinden zich de clusters van
sterrenstelsels
  Donkere materie vormt dus in het heelal het skelet
waaraan de gewone materie door de zwaartekracht
hecht
Donkere Materie
  Wat is dan donkere materie?
  Meest waarschijnlijk WIMP (weakly interacting massive particles)
  Worden niet voorspeld door standaard model maar berekeningen tonen
 
 
 
 
 
 
aan dat ze bij big bang in zeer grote hoeveelheden kunnen zijn
aangemaakt.
Heeft zich in het heelal gegroepeerd in clusters waaromheen zich later
sterrenstelsels hebben gevormd.
Geen interactie met subatomaire deeltjes en atomen.
Wel gravitatie (kromt de ruimte tijd).
Massa 30 GeV; 30.000x massa waterstof atoom.
Miljarden deeltjes doorboren ons lichaam per seconde.
Deeltjes zijn hun eigen antideeltjes en dus moet annihilatie
plaatsvinden waarbij gammastraling ontstaat.
  Alternatieve verklaringen (later)
Donkere Materie
  Hoe waar te nemen?
  FERMI (gamma array space telescope) op zoek naar
de specifieke gamma straling van botsende WIMP’s:
Nog niets waargenomen.
  Met ondergrondse detectoren in de Apenijnen Italië
na jarenlange metingen niets waargenomen
  Identiek Xenon 100 project in VS: sinds 2009 niets
waargenomen
  Large Hadron Collider at CERN:
Nog niets waargenomen
Donkere Materie
 
Recentelijke ontwikkelingen:
  Uit metingen met FERMI gamma telescoop blijkt dat als Dark Matter WIMPS zijn deze een energie
moeten hebben van 30GeV (dit is 30.000 keer de massa van een waterstof atoom).
  Echter: Wimps zijn ook elkaars eigen antideeltjes. Er moet dus regelmatig annihilatie optreden
waarbij hun massa wordt omgezet in energierijke gammastraling. Die gammastraling is (nog)
nooit waargenomen.
  Door snelheden te meten van sterren buiten platte schijf van de melkweg kan de melkwegschijf
worden ‘gewogen’. Dat resultaat klopt precies met de bekende hoeveelheid gas, stof en sterren.
Donkere materie lijkt er dus niet te zijn!
  In juli 2012 is mbv ‘weak gravitational lensing’ het bestaan van draden uit het kosmisch web van
donkere materie in de praktijk aangetoond.
 
 
 
Volgens algemeen geaccepteerde theorieën zou zonsomgeving rijk moeten zijn aan donkere
materie. Metingen aan 400 sterren binnen 13.000 lichtjaar van de aarde tonen aan dat de
berekende massa exact overeenkomt met de waargenomen zichtbare materie. Geen spoor van
donkere materie. Toch draait de melkweg sneller dan kan worden verklaard met alleen zichtbare
materie.
Vorige week (4/9) werd bekend dat de Planck satelliet, die de kosmische achtergrondstraling in
kaart brengt in het centrum van de melkweg zgn synchroton straling heeft ontdekt afkomstig van
positronen en elektronen die door een magnetisch veld bewegen. De stroom positronen lijkt
ondanks annihilatie continu dus er moet een bron zijn. Die bron kan botsende deeltjes donkere
materie zijn….
Afgelopen week (11/9) bleek dat deze conclusie wellicht kon worden getrokken adv waarnemingen
met de WMAP satelliet maar dat volgens Fermilab in Chicago de veel nauwkeuriger Planck satelliet
een langgerekte deeltjeswolk (met een duidelijk begin en eind) toont i.p.v. een sferische vorm. Dit
betekent dat de deeltjesvorming slechts tijdelijk plaatsvindt en dit is absoluut strijdig met de
conclusie van het Niels Bohr instituut in Kopenhagen in de vorige alinea.
WEET U HET NOG?
Donkere materie
  Ondanks ‘legers van onderzoekers’ is in al die jaren nog steeds niets gevonden.
  Wat zijn de alternatieven?
 
Gravitatietheorie niet altijd overal van toepassing
  MOND (MOdified Newtonian Dynamics) is een nieuwe theorie die stelt dat bij geringe
versnellingen in de gravitatieformule van Newton niet gedeeld moet worden door ‘r2’
maar door ‘r’. Hiermee vervalt de noodzaak voor donkere materie.
 
 
Dit is echter niet in overeenstemming te brengen met andere waarnemingen op het gebied van
gravitatie zoals waarnemingen van botsende sterrenstelsels, gravitatie in clusters van
sterrenstelsels en gravitational lensing.
Bestaan van meerdere dimensies. Gravitatiekracht is heel zwak vergeleken met
andere krachten. Dit kan komen omdat gravitatie ook zou weglekken in andere
dimensies. Donkere materie kan dus ook gravitatie zijn uit andere dimensies of
deeltjes (snaren) die trillen in andere dimensies.
  Energie van deeltjes is opgebouwd uit restenergie (E=Mc2) en bewegingsenergie.
Deeltjes die ook in andere dimensies kunnen bewegen hebben ook bewegingsenergie
die wij niet kunnen waarnemen. Voor ons zijn die deeltjes dus zwaarder. Sommige van
deze z.g.n. Kaluza-Klein deeltjes voldoen aan de eigenschappen van donkere materie
zoals wij die waarnemen.
  Volgens het standaard model moeten neutrinos massaloos zijn. Toch hebben we in
deeltjesversnellers gezien dat sommige neutrino’s een (geringe) massa hebben. Is een
indicatie voor het bestaan van een extra dimensie (Kaluza Klein)? Doorslaggevend
bewijs ontbreekt echter nog.
Afsluiting
•  Er is afgelopen 50 jaar heel veel ontdekt, maar
op het gebied van donkere materie is maar één
conclusie mogelijk:
WE HEBBEN GEEN FLAUW IDEE!
•  Voorlopig is onze enige hoop de Xenon 1T
detector die 1000 keer gevoeliger is dan de
huidige Xenon 100. In 2015 is hij klaar.
Afsluiting