In meerdere berichten op deze site heb ik het gehad over de mysterieuze Donkere Materie waaruit ons universum voor driekwart is opgebouwd. Recent is er onderzoek gedaan dat een mogelijk nieuw licht werpt op wat nu Donkere Materie eigenlijk is. Men denkt bewijs te hebben dat donkere materie is gemaakt van axionen?!
In plaats van rechtstreeks naar axionen te zoeken, zocht een multinationaal team van onderzoekers onder leiding van Keir Rogers van de Universiteit van Toronto naar iets anders. Ze concentreerden zich op de “klonterigheid” van het heelal en ontdekten dat kosmische materie gelijkmatiger is verdeeld dan verwacht
Welke rol spelen axionen hier?
Kwantummechanica verklaart deze ultralichte deeltjes als “wazig” (fuzzy) omdat ze zowel deeltjes- als golfgedrag vertonen. Het blijkt dat hun golflengten groter kunnen zijn dan hele sterrenstelsels!
Blijkbaar speelt die wazigheid een rol bij het gladstrijken van het heelal door de vorming en verspreiding van Donkere Materie te beïnvloeden. Als dat waar is, dan verklaart het voor een groot deel waarom de materie in de kosmos gelijkmatiger is verspreid dan eerst gedacht. Het impliceert dat axionen een rol spelen bij de verdeling van materie in de kosmos.
Het zou een grote stap voorwaarts zijn, als het team hun theorie op een andere manier zou kunnen testen. “Als dit wordt bevestigd door toekomstige telescoopwaarnemingen en laboratoriumexperimenten, zou het vinden van axion donkere materie een van de belangrijkste ontdekkingen van deze eeuw zijn“, zei Rogers. “Tegelijkertijd geven onze resultaten een mogelijke verklaring waarom het heelal minder klonterig is dan we dachten, een waarneming die de afgelopen tien jaar steeds duidelijker is geworden en die onze theorie van het heelal momenteel onzeker maakt.“
Donkere Materie in kaart brengen
Hoe bereken je het effect van Donkere Materie op “gewone materie” door de tijd heen?
Een manier is om terug te gaan naar het begin van de kosmos en te zien hoe de materie destijds was verspreid. Om dat te doen, analyseerde Rogers wat bekend staat als de kosmische achtergrondstraling (CMB). Het is een overblijfsel van het licht dat ontstond tijdens de oerknal. Ze gebruikten gegevens van verschillende grote onderzoeken van de CMB, waaronder die van de Planck-missie, de Atacama Cosmology Telescope en de South Pole Telescope. Die gegevens gaven een algemene “kijk” op de verdeling van materie in het begin van het heelal.
De volgende stap was om te kijken naar de distributie van sterrenstelsels. Het team gebruikte datasets van de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), die de posities van bijna een miljoen nabije sterrenstelsels bevat. In wezen vergeleken ze hoe de dingen er ‘lang geleden‘ uitzagen met hoe ze eruit zagen in ‘recente‘ tijden van de kosmische geschiedenis.
Dit liet zien hoeveel de verdeling van materie in de loop van de tijd veranderde.
Interessant is dat de verdeling van sterrenstelsels ook het gedrag van Donkere Materie, onder invloed van zwaartekracht, weerspiegelt. Hierdoor kon het team fluctuaties in de hoeveelheid materie door tijd en ruimte in kaart brengen. De meeste voorspellingen suggereerden dat er meer “klonterigheid” in het heelal zou zijn, maar deze analyse toonde juist aan dat er minder is.
Axion implicaties
De volgende uitdaging was om erachter te komen welk type Donkere Materie de onverwacht gelijke verdeling van materie zou kunnen verklaren.
Het onderzoeksteam creëerde computersimulaties van een universum met lange golven van Donkere Materie. Ze vroegen de simulaties om het verschijnen van het licht van de oerknal en de verdeling van sterrenstelsels te voorspellen. Het resultaat was verrassend: ze leken op de daadwerkelijke CMB-gegevens en de “nabije” distributie van sterrenstelsels.
Wanneer Donkere Materie is gemaakt van axionen, laten simulaties zien dat grootschalige structuren zeer dicht in de buurt komen van feitelijke waarnemingen.
Hoewel het geen ijzersterk bewijs is, is het vermoeden, dat het axionen moeten zijn, sterk.
Om te bewijzen dat ze werkelijk het “spul” van Donkere Materie zijn, zijn meer waarnemingen nodig.
“We hebben nu de tools waarmee we eindelijk iets experimenteel kunnen begrijpen over het eeuwenoude mysterie van Donkere Materie, zelfs in het komende decennium of zo – en dat zou ons hints kunnen geven voor antwoorden op nog grotere theoretische vragen,” zei Rogers. “De hoop is dat de raadselachtige elementen van het universum nu oplosbaar zijn.”
Concreet moeten astronomen meer grootschalige onderzoeken van sterrenstelsels uitvoeren – miljoenen daarvan. Dat zou een van de eerste grote bijdragen kunnen zijn van het binnenkort te openen Vera Rubin Observatorium in Chili. Het onderzoeksteam kon hun theorie over kosmische “klonterigheid” vergelijken met directe waarnemingen van Donkere Materie door middel van zwaartekrachtlenzen. Donkere Materie “buigt” door zwaartekracht het licht van verre sterrenstelsels. Die eigenschap stelt astronomen in staat om de verspreiding van dit mysterieuze spul door het heelal in kaart te brengen.
Wat zou Donkere Materie nog meer kunnen zijn?
Begrijpen wat Donkere Materie is, blijft een prangende fundamentele wetenschappelijke vraag. Het is ook de sleutel tot het begrijpen van de oorsprong en toekomst van het heelal. Astronomen vermoedden het bestaan ervan sinds het begin van de 20e eeuw. Het bestaan ervan werd echter pas ‘bewezen’ door Vera Rubin en anderen, die waarnemingen deden die sterk bewijs leverden voor ‘iets’ daarbuiten dat de bewegingen en verdelingen van sterrenstelsels beïnvloedde.
Mensen hebben allerlei theoretische deeltjes (of andere objecten) bedacht om het uit te leggen. Afgezien van axionen, suggereert één idee iets dat “zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes” (WIMPS) wordt genoemd. Sommigen hebben gesuggereerd dat neutrino’s deel kunnen uitmaken van het “probleem” van de Donkere Materie, naast objecten als oerzwarte gaten of dingen die massieve compacte halo-objecten (MACHO’s) worden genoemd.
De nieuwste ontdekking zou de theoretische definitie van Donkere Materie steviger in de richting van axionen kunnen duwen.
