Categorieën
Astronomie

Door de doorbraak in donkere materie kunnen drie van de meest populaire theorieën tegelijkertijd worden onderzocht.

Waarnemingen van dwergstelsels rond de Melkweg hebben gelijktijdige beperkingen opgeleverd voor drie populaire theorieën over donkere materie.

Een team van wetenschappers onder leiding van kosmologen van de SLAC- en Fermi-nationale versnellingslaboratoria van het Department of Energy heeft enkele van de strengste beperkingen tot nu toe gesteld aan de aard van donkere materie, op basis van een verzameling van enkele tientallen kleine, zwakke satellietstelsels die in een baan rond de Melkweg draaien om bepalen wat voor soort donkere materie zou kunnen hebben geleid tot de populatie van sterrenstelsels die we tegenwoordig zien.

De nieuwe studie is niet alleen belangrijk vanwege de mate waarin het donkere materie kan beperken, maar ook voor wat het kan beperken, zei Risa Wechsler, directeur van het Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology (KIPAC) aan SLAC en Stanford University. “Een van de dingen die ik heel opwindend vind, is dat we eigenlijk in staat zijn om drie van de meest populaire theorieën over donkere materie tegelijkertijd te onderzoeken,” zei ze.

Donkere materie vormt 85 procent van de materie in het universum en heeft een zeer zwakke wisselwerking met gewone materie, behalve door zwaartekracht. Zijn invloed is terug te zien in de vormen van sterrenstelsels en in de grootschalige structuur van het universum, maar niemand weet precies wat donkere materie is. In de nieuwe studie concentreerden de onderzoekers zich op drie brede mogelijkheden voor de aard van donkere materie: relatief snel bewegende of “warme” donkere materie; een andere vorm van ‘interactie’ met donkere materie die protonen voldoende tegen elkaar stoot om in het vroege universum te zijn opgewarmd, met gevolgen voor de vorming van sterrenstelsels; en een derde, extreem licht deeltje, bekend als “vage donkere materie”, dat zich door de kwantummechanica effectief uitstrekt over duizenden lichtjaren.

Twee numerieke simulaties die de verspreiding van donkere materie rond een sterrenstelsel voorspellen dat lijkt op onze Melkweg. Het linkerpaneel gaat ervan uit dat donkere materiedeeltjes snel bewogen in het vroege heelal (warme donkere materie), terwijl het rechterpaneel veronderstelt dat donkere materiedeeltjes langzaam bewogen (koude donkere materie). Het model van warme donkere materie voorspelt dat er veel minder kleine klonten donkere materie rond ons Melkwegstelsel zijn, en dus veel minder satellietstelsels die in deze kleine klonten donkere materie wonen. Door het aantal satellietstelsels te meten, kunnen wetenschappers onderscheid maken tussen deze modellen van donkere materie. (Afbeeldingen van Bullock & Boylan-Kolchin, Annual Review of Astronomy and Astrophysics 2017, gebaseerd op simulaties door V. Robles, T. Kelley en B. Bozek)

Waarnemingen van dwergstelsels rond de Melkweg hebben gelijktijdige beperkingen opgeleverd voor drie populaire theorieën over donkere materie.

Om die modellen te testen, ontwikkelden de onderzoekers eerst computersimulaties van donkere materie en de effecten ervan op de vorming van relatief kleine sterrenstelsels in dichtere plekken van donkere materie die rond grotere sterrenstelsels worden aangetroffen.

“De zwakste sterrenstelsels behoren tot de meest waardevolle instrumenten die we hebben om te leren over donkere materie, omdat ze tegelijkertijd gevoelig zijn voor verschillende fundamentele eigenschappen”, zegt Ethan Nadler, de hoofdauteur van het onderzoek en afgestudeerde student aan Stanford University en SLAC. Als donkere materie bijvoorbeeld een beetje te snel beweegt of iets te veel energie heeft gewonnen door lang geleden interacties met normale materie, zullen die sterrenstelsels zich in de eerste plaats niet vormen. Hetzelfde geldt voor vage donkere materie, die, als ze voldoende uitgestrekt is, ontluikende sterrenstelsels met kwantumfluctuaties zal vernietigen.

Door dergelijke modellen te vergelijken met een catalogus van zwakke dwergstelsels van de Dark Energy Survey en de Panoramic Survey Telescope and Rapid Response System, of Pan-STARRS, konden de onderzoekers nieuwe grenzen stellen aan de waarschijnlijkheid van dergelijke gebeurtenissen. In feite zijn die limieten sterk genoeg dat ze dezelfde mogelijkheden voor donkere materie beginnen te beperken die nu door directe detectie-experimenten worden onderzocht – en met een nieuwe stroom gegevens van de Rubin Observatory Legacy Survey of Space and Time die in de komende jaren wordt verwacht, de limieten worden alleen maar krapper.

“Het is opwindend om te zien dat het probleem van donkere materie wordt aangevallen vanuit zoveel verschillende experimentele invalshoeken”, aldus Fermilab en de wetenschapper van de Universiteit van Chicago Alex Drlica-Wagner, een medewerker van Dark Energy Survey en een van de hoofdauteurs van de paper. “Dit is een mijlpaalmeting voor DES, en ik heb goede hoop dat toekomstige kosmologische onderzoeken ons zullen helpen tot op de bodem uit te zoeken wat donkere materie is.”

Toch, zei Nadler, “er is veel theoretisch werk te doen.” Om te beginnen zijn er een aantal modellen van donkere materie, waaronder een voorgestelde vorm die sterk met zichzelf kan interageren, waarbij onderzoekers niet zeker zijn van de gevolgen voor de vorming van sterrenstelsels. Er zijn ook andere astronomische systemen, zoals sterrenstromen die nieuwe details kunnen onthullen wanneer ze in botsing komen met donkere materie.

Referentie: “Milky Way Satellite Census. III. Constraints on Dark Matter Properties from Observations of Melkweg satellietstelsels ”door EO Nadler, A. Drlica-Wagner, K. Bechtol, S. Mau, RH Wechsler, V. Gluscevic, K. Boddy, AB Pace, TS Li, M. McNanna, AH Riley, J. García-Bellido, Y.-Y. Mao, G. Green, DL Burke, A. Peter, B. Jain, TMC Abbott, M. Aguena, S. Allam, J. Annis, S. Avila, D. Brooks, M. Carrasco Kind, J. Carretero, M Costanzi, LN da Costa, J. De Vicente, S. Desai, HT Diehl, P. Doel, S. Everett, AE Evrard, B. Flaugher, J. Frieman, DW Gerdes, D. Gruen, RA Gruendl, J. Gschwend, G.Gutierrez, SR Hinton, K. Honscheid, D. Huterer, DJ James, E. Krause, K. Kuehn, N. Kuropatkin, O. Lahav, MAG Maia, JL Marshall, F. Menanteau, R. Miquel, A. Palmese, F. Paz-Chinchón, AA Plazas, AK Romer, E. Sanchez, V.Scarpine, S. Serrano, I. Sevilla-Noarbe, M.Smith, M. Soares-Santos, E. Suchyta, MEC Swanson , G. Tarle, DL Tucker, AR Walker, W. Wester (DES Collaboration), 31 juli 2020, Astrophysics> Cosmology and Nongalactic Astrophysics.

arXiv: 2008.00022

Het onderzoek was een gezamenlijke inspanning binnen de Dark Energy Survey. Het onderzoek werd ondersteund door een National Science Foundation Graduate Fellowship, door het Department of Energy’s Office of Science via SLAC en door Stanford University.

Scietech daily


Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.