Delen:
10 manieren waarop donkere materie het universum kan verklaren
Donkere materiedeeltjes produceren, reflecteren of absorberen licht niet. Hoewel we de donkere materie niet rechtstreeks kunnen zien en we de aard ervan nog steeds niet begrijpen, geloven wetenschappers dat het goed is voor ongeveer 26 procent van ons bekend universum, op basis van hoe de zwaartekracht samenwerkt met andere ruimtevoorwerpen. Als wind die de takken van een boom blaast, kunnen we geen donkere materie zien, maar we kunnen zien hoe het de omgeving beïnvloedt. Uit deze observaties en analyse ontwikkelen onze wetenschappers fascinerende theorieën over donkere materie. Als ze waar zijn, kunnen ze ons begrip van het universum op diepgaande manieren veranderen.
10Dark Matter kan massa-extincties veroorzaken
Michael Rampino, een biologieprofessor van de New York University, gelooft dat de beweging van de aarde door de galactische schijf (ons gebied in de Melkweg) misschien massa-uitstervingsgebeurtenissen op Aarde heeft veroorzaakt. Dit gebeurde omdat onze beweging de baan van kometen in het buitenste zonnestelsel (bekend als de "Oortwolk") verstoorde en de warmte in de kern van onze planeet verhoogde.
Met zijn planeten op sleeptouw, cirkelt de zon elke 250 miljoen jaar rond het centrum van de Melkweg. Tijdens zijn reis weeft het ongeveer elke 30 miljoen jaar door de galactische schijf. Rampino beweert dat de aardse trek door de schijf samenvalt met komeeteffecten en massa-extinctie op aarde, inclusief die 65 miljoen jaar geleden, toen een asteroïde de dinosaurussen zou hebben gedood. Er is ook een theorie dat vulkaanuitbarstingen de dinosauruskudde dunner maakten vlak voordat een asteroïde ze afmaakte.
De combinatie van ongewone vulkanische activiteit en een asteroïde aanval die samenvalt met de baan van de aarde door de galactische schijf zou perfect in de theorie van Rampino passen. "Terwijl de schijf door de schijf reist, verstoort de donkere materie die zich daar concentreert de paden van kometen die typisch in een baan om de aarde draaien in het buitenste zonnestelsel," zei Rampino. "Dit betekent dat kometen die normaal op grote afstand van de aarde reizen in plaats daarvan ongewone paden nemen, waardoor sommige van hen botsen met de planeet." Sommigen beweren dat de theorie van Rampino niet werkt omdat de dinosaurussen stierven door een asteroïde, niet door een asteroïde komeet. Ongeveer 4 procent van de Oort-wolk bestaat echter uit asteroïden, wat neerkomt op acht miljard zweefvliegtuigen die rondzweven.
Bovendien gelooft Rampino dat elk van de banen van de aarde door de galactische schijf ervoor zorgt dat donkere materie zich ophoopt in de kern van de planeet. Naarmate de deeltjes van donkere materie elkaar vernietigen, creëren ze intense hitte die vulkaanuitbarstingen, veranderingen op zeeniveau, bergbouw en andere geologische activiteit kan veroorzaken die ook het biologische leven op aarde dramatisch beïnvloedt.
9De Melkweg kan een enorm wormgat zijn
Is het mogelijk dat we in een gigantische tunnel leven die een kortere weg door het universum biedt?
Zoals voorspeld door Einstein's algemene relativiteitstheorie, is een wormgat een gebied waar ruimte en tijd zich bukken om een kortere weg naar een afgelegen deel van het universum te creëren. Volgens astrofysici van de Internationale School voor geavanceerde studies in Triëst, Italië, kan donkere materie in onze melkweg zo worden verdeeld dat een stabiel wormgat midden op onze Melkweg kan bestaan. Deze wetenschappers geloven dat het tijd is voor ons om de aard van donkere materie te heroverwegen. Misschien is donkere materie gewoon een andere dimensie.
"Als we de kaart van de donkere materie in de Melkweg combineren met het meest recente oerknal-model om het universum uit te leggen", zei professor Paulo Salucci, "en we veronderstellen het bestaan van tunnels in de ruimte-tijd, dan krijgen we onze Melkweg zou echt een van deze tunnels kunnen bevatten, en dat de tunnel zelfs de grootte van het sterrenstelsel zelf zou kunnen zijn. Maar er is meer. We zouden zelfs door deze tunnel kunnen reizen, omdat het op basis van onze berekeningen bevaarbaar zou zijn. Net zoals die we allemaal hebben gezien in de recente film interstellair.”
Natuurlijk is het slechts een theorie. Maar wetenschappers geloven dat donkere materie de sleutel kan zijn om wormgaten te maken en te bepalen hoe ze te observeren. Tot nu toe zijn er geen natuurlijke wormholes ontdekt.
8De ontdekking van Galaxy X
Galaxy X is ook bekend als het donkere materie-sterrenstelsel, een grotendeels onzichtbare dwergmelkweg die mogelijk vreemde rimpels veroorzaakt in het koude waterstofgas aan de buitengrenzen van de schijf van de Melkweg. 'Galaxy X', waarvan wordt gedacht dat het een satellietmelkweg van de Melkweg is, herbergt een cluster van vier Cepheevariabelen, pulserende sterren die worden gebruikt als markeringen om ons te helpen afstanden in de ruimte te meten. We kunnen de rest van dit dwergstelsel niet zien omdat het zogenaamd bestaat uit onzichtbare donkere materie. Echter, de immense aantrekkingskracht van dat donkere materie sterrenstelsel heeft waarschijnlijk de rimpelingen veroorzaakt die we hebben gezien. Zonder een zwaartekrachtbron als donkere materie die ze bij elkaar houdt, is het hoogst onwaarschijnlijk dat vier variabele sterren van Cepheid zo dicht bij elkaar in het midden van de ruimte worden geplaatst in plaats van uit elkaar te vliegen.
"De ontdekking van de Cepheïsche variabelen toont aan dat onze methode om de locatie te vinden van donkere materie gedomineerde dwergstelsels werkt," zei astronoom Sukanya Chakrabarti. "Het kan ons helpen om uiteindelijk te begrijpen waaruit donkere materie bestaat. Het laat ook zien dat Newtons theorie van zwaartekracht kan worden gebruikt tot in de verste uithoeken van een melkwegstelsel en dat het niet nodig is om onze theorie van zwaartekracht te wijzigen. "
7Disintegratie van de Higgs Boson in Dark Matter
Het standaardmodel van de deeltjesfysica is ontwikkeld in de jaren 1970 en bestaat uit een reeks theorieën die zogenaamd alle bekende subatomaire deeltjes in het universum voorspellen en hoe ze op elkaar inwerken.Met de bevestiging van 2012 van het bestaan van het Higgs-deeltje (ook bekend als het "Goddeeltje") was het standaardmodel voltooid. Helaas verklaart dat model niet alles, vooral donkere materie, de zwaartekracht die sterrenstelsels bij elkaar houdt. De massa van het Higgs-deeltje lijkt ook veel te laag voor sommige wetenschappers.
Dat dreef onderzoekers van de Chalmers University of Technology ertoe op een nieuw model voor te stellen op basis van supersymmetrie, waardoor elk bekend deeltje in het standaardmodel een zwaardere superpartner wordt. Volgens deze nieuwe theorie zal een klein deel van de Higgs-deeltjes vervallen in een foton (een licht deeltje) en twee gravitino's (donkere materiedeeltjes). "Als het model geschikt blijkt te zijn, zou dit ons begrip van de fundamentele bouwstenen van de natuur compleet veranderen", zei Christoffer Petersson van Chalmers. Het model wordt getest in de Large Hadron Collider in Zwitserland.
6Dark Materie In De Zon
Afhankelijk van de methode die wordt gebruikt om de zon te analyseren, schommelt de hoeveelheid elementen zwaarder dan waterstof of helium met 20-30 procent. We kunnen elk van die elementen meten door te kijken naar het spectrum van licht dat het uitstraalt, zoals een afzonderlijke vingerafdruk, of door te onderzoeken hoe het geluidsgolven beïnvloedt die door de zon reizen, wat dan kleine veranderingen in de helderheid van de zon veroorzaakt. Het mysterieuze verschil tussen deze twee metingen van de elementen van de zon wordt het probleem van de zonne-abundantie genoemd.
We hebben nauwkeurige metingen van deze elementen nodig om de chemische samenstelling van de zon te begrijpen, evenals de dichtheid en temperatuur ervan. In veel opzichten zal het ons ook helpen om de samenstelling en het gedrag van andere sterren te begrijpen, evenals hun planeten en sterrenstelsels.
Wetenschappers zijn er al jaren niet in geslaagd om een werkbare oplossing te bedenken. Toen stelden astrodeeltjesfysicus Aaron Vincent en zijn medewerkers duistere materie voor in de kern van de zon als een mogelijk antwoord op het probleem. Na het uitvoeren van veel simulaties, kwamen ze met een theorie die leek te werken. Het bevatte echter een speciaal type donkere materie, 'zwak interacterende asymmetrische donkere materie', wat materie of antimaterie kan zijn, maar niet beide.
Uit metingen van de zwaartekracht weten wetenschappers dat een halo van donkere materie de zon omgeeft. Asymmetrische donkere materiedeeltjes bevatten niet veel antimaterie, dus ze kunnen contact met normale materie overleven en opbouwen in de kern van de zon. Deze deeltjes worden ook verondersteld om energie te absorberen in het midden van de Zon en vervolgens die warmte naar de buitenranden te transporteren, wat een verklaring zou kunnen zijn voor het probleem van de zonne-abundantie.
"Het belangrijkste voordeel van asymmetrische donkere materie is dat veel ervan zich kan ophopen in de zon terwijl het door de donkere stofwolk snelt die de Melkweg overspoelt", zei Vincent. "Als de donkere materie zelfvernietigend was, zou de donkere materie verdwijnen voordat ze een aanzienlijke hoeveelheid warmte uit de kern van de zon konden transporteren."
5Dark Matter is misschien macroscopisch
Onderzoekers van Case Western Reserve hebben zich afgevraagd of wetenschappers op zoek zijn naar donkere materie op de juiste plaatsen. In het bijzonder suggereren ze dat donkere materie niet gemaakt kan zijn van kleine exotische deeltjes zoals WIMP's (zwak interagerende massieve deeltjes) maar in plaats van macroscopische objecten die kunnen variëren van een paar ounce tot zo groot als een asteroïde. Deze wetenschappers beperken echter hun theorie over waar te kijken door rekening te houden met wat al in de ruimte is waargenomen. Dit brengt hen ertoe te geloven dat het standaardmodel van deeltjesfysica het antwoord zal bieden. Ze geloven niet dat een nieuw model nodig is voor donkere materie.
De onderzoekers hebben hun donkere materieobjecten "macro's" genoemd. Ze suggereren niet dat we WIMPS en axions (zwak interactie vertonende deeltjes met een lage massa) uit overweging verwijderen, maar eenvoudigweg dat we de zoektocht naar donkere materie uitbreiden naar andere kandidaten. Er zijn voorbeelden van materie die noch gewoon noch exotisch zijn, die niet zijn onderzocht, maar die wel binnen de parameters van het standaardmodel vallen.
"De gemeenschap had zich een beetje afgewend van het idee dat donkere materie eind jaren '80 van normaal materiaal zou kunnen worden gemaakt", zei natuurkundig professor Glenn Starkman. "We vragen, was dat helemaal correct, en hoe weten we dat donkere materie geen gewone dingen is, dingen die gemaakt kunnen worden van quarks en elektronen?"
4GPS detectie van donkere materie
Twee natuurkundigen hebben voorgesteld GPS-satellieten te gebruiken om donkere materie te vinden, wat volgens de wetenschappers misschien geen deeltjes zijn zoals algemeen wordt aangenomen, maar in plaats daarvan scheuren in de structuur van ruimte-tijd. "Ons onderzoek gaat uit van het idee dat donkere materie kan worden georganiseerd als een grote gasachtige verzameling van topologische defecten of energiescheuren," zei Andrei Derevianko van de Universiteit van Nevada. "We stellen voor om de defecten, de donkere materie, te detecteren, terwijl ze door ons heen zwerven met een netwerk van gevoelige atoomklokken. Het idee is, dat wanneer de klokken niet meer gesynchroniseerd worden, we weten dat donkere materie, het topologische defect, voorbij is gegaan. Sterker nog, we stellen ons voor om de GPS-constellatie te gebruiken als de grootste door mensen gebouwde detector voor donkere materie. "
De onderzoekers analyseren gegevens van 30 GPS-satellieten om te zien of hun theorie klopt. Als donkere materie inderdaad als een gas is, zal de Aarde er doorheen gaan terwijl we in een baan om de Melkweg cirkelen. Handelend als wind zullen massa's donkere materie door de aarde en haar satellieten blazen, waardoor de GPS-klokken in de satellieten en op de grond hun synchronisatie verliezen gedurende ongeveer drie minuten. Wetenschappers moeten elk verschil van meer dan een miljardste seconde kunnen controleren.
3Dark Energy mag donkere materie eten
Volgens recent onderzoek lijkt donkere energie donkere materie te eten terwijl de twee met elkaar interageren, wat op zijn beurt de groei van sterrenstelsels vertraagt en uiteindelijk het universum bijna een lege plek kan maken. Het kan zijn dat donkere materie in donkere energie vervliegt, maar dat weten we nog niet. Het Planck-ruimtevaartuig van de Europese Unie gaf ons onlangs precieze cijfers over de fysieke samenstelling van het universum: 4,9 procent gewone materie (waaronder wij), 25,9 procent donkere materie en 69,2 procent donkere energie.
We kunnen geen donkere materie of donkere energie zien. Geen enkele term is goed begrepen, zelfs in de wetenschappelijke gemeenschap. Ze lijken meer op tijdelijke aanduidingen, beschrijven iets waarvan we denken dat het gebeurt, maar het kan nog niet worden uitgelegd. Dus totdat we daadwerkelijk weten waar we het over hebben, gebruiken we deze dubbelzinnige termen.
Donkere materie trekt aan en donkere energie stoot af. Donkere materie is de ruggengraat of het raamwerk waarop sterrenstelsels en hun inhoud worden gebouwd. Er wordt aangenomen dat de zwaartekracht de sterren samenhoudt in sterrenstelsels, bijvoorbeeld. De zwaartekracht is sterker wanneer voorwerpen dichter bij elkaar staan en zwakker zijn wanneer ze verder van elkaar verwijderd zijn.
Aan de andere kant beschrijft duistere energie de kracht die ervoor zorgt dat het universum uitzet door verre melkwegstelsels van ons weg te duwen. Dus als duistere energie deze objecten afstoot, verzwakt de zwaartekracht in de ruimte. Dit suggereert dat de uitbreiding van de ruimte versnelt, niet vertragend van de effecten van de zwaartekracht zoals ooit werd gedacht.
"Sinds het einde van de jaren negentig zijn astronomen ervan overtuigd dat iets de expansie van ons universum versnelt", zei professor David Wands van de Universiteit van Portsmouth. "De eenvoudigste verklaring was dat lege ruimte - het vacuüm - een energiedichtheid had die een kosmologische constante was. Er zijn echter steeds meer aanwijzingen dat dit eenvoudige model niet het volledige scala van astronomische gegevens kan verklaren waar onderzoekers nu toegang toe hebben; met name de groei van de kosmische structuur, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels lijkt langzamer dan verwacht. "
Deze energieoverdracht vindt alleen plaats aan de donkere kant. Gewone zaken (zoals wij) worden niet opgeslokt door donkere energie.
2Dark-materie kan rimpelingen in de galactische schijf hebben veroorzaakt
Als we vanaf de aarde de ruimte in kijken, zien we dat de sterren plotseling ongeveer 50.000 lichtjaar uit het centrum van onze Melkweg eindigen. Dus we dachten dat dat het einde van onze melkweg was. We zagen niets anders dat betekenisvol was tot ongeveer 15.000 lichtjaren voorbij die grens, wat de Monoceros-ring van sterren was die zich uitstrekt boven ons galactische vlak. Sommige van onze wetenschappers dachten dat het sterren waren die van een ander sterrenstelsel waren weggerukt.
Uit een nieuwe analyse van gegevens uit de Sloan Digital Sky Survey blijkt echter dat de Monoceros-ring eigenlijk deel uitmaakt van onze melkweg. Dat betekent dat de Melkweg minstens 50 procent groter is dan we dachten - het vergroten van de diameter van onze Melkweg van ongeveer 100.000 - 120.000 lichtjaren tot ongeveer 150.000 - 180.000 lichtjaar.
Kijkend vanaf de aarde, kunnen we niet zien hoe het verbonden is door rimpelingen in de galactische schijf. Het is alsof je golven vanaf het strand in de oceaan kijkt. Als een golf omhoog komt, blokkeert het je zicht op de oceaan erachter, behalve delen van nog hogere golven. Dus hoewel ons beeld gedeeltelijk werd geblokkeerd door de vorm van ons sterrenstelsel, zagen we de Monoceros-ring omdat het leek op het kijken naar de top van een hogere golf.
Deze ontdekking verandert ons begrip van hoe de Melkweg is geconstrueerd. "In wezen hebben we ontdekt dat de schijf van de Melkweg niet zomaar een schijf met sterren in een plat vlak is - het is gegolfd", zei Heidi Newberg van de Rensselaer School of Science. "Terwijl het naar buiten straalt vanaf de zon, zien we minstens vier rimpelingen in de schijf van de Melkweg. Hoewel we alleen met deze gegevens naar een deel van de melkweg kunnen kijken, nemen we aan dat dit patroon door de hele schijf heen zal worden gevonden. "
Net als de rimpelingen veroorzaakt door een kiezelsteen die in een vijver is gegooid, geloven wetenschappers dat deze rimpelingen in onze melkweg veroorzaakt kunnen zijn door een klomp donkere materie of een dwergstelsel dat door de schijf van de Melkweg snijdt. Als die theorie waar is, zouden deze rimpelingen onderzoekers een manier geven om de verdeling van donkere materie in de Melkweg te analyseren.
1De Gamma Ray-handtekening
Tot voor kort was de enige manier waarop wetenschappers donkere materie konden detecteren door het observeren van het mogelijke gravitatie-effect op andere ruimtevoorwerpen. Onderzoekers zijn echter van mening dat gammastraling een meer direct signaal kan zijn dat onzichtbare donkere materie in ons universum op de loer ligt. In een opwindende ontwikkeling hebben ze misschien net die eerste gamma-ray-handtekening gevonden in Reticulum 2, een nieuw ontdekt dwergsterrenstelsel nabij de Melkweg.
Gammastralen zijn een vorm van hoogenergetische elektromagnetische straling die wordt uitgestraald door de dichte centra van sterrenstelsels. Als het waar is dat donkere materie bestaat uit WIMP's, dan zouden donkere materiedeeltjes een bron van gammastraling zijn die wordt geproduceerd wanneer WIMP's elkaar bij contact vernietigen. Gammastraling kan echter ook worden uitgezonden door andere bronnen, zoals zwarte gaten en pulsars. Als onze analyse deze andere bronnen van gammastraling kan elimineren, is het mogelijk dat eventuele resterende gammastralen afkomstig zijn van donkere materie. Tenminste, dat is de theorie.
Wetenschappers zijn van mening dat de meeste dwergstelsels geen significante andere gammastralen hebben dan donkere materie, die wel 99 procent van een dwergsterrenstelsel kunnen omvatten. Daarom raakten fysici van de universiteiten Carnegie Mellon, Brown en Cambridge enthousiast van de ontdekking van gammastraling afkomstig van Reticulum 2.
"De zwaartekrachtdetectie van donkere materie vertelt je heel weinig over het deeltjesgedrag van de donkere materie," zei Matthew Walker van de Carnegie Mellon University."Maar nu kunnen we een niet-gravitationele detectie hebben waarbij de donkere materie zich gedraagt als een deeltje, wat een heilige graal is." Natuurlijk is het mogelijk dat er andere bronnen van gammastraling zijn in dwergstelsels die we niet hebben geïdentificeerd nog. De recente ontdekking van negen potentiële dwergstelsels nabij de Melkweg kan wetenschappers echter de gelegenheid bieden om deze theorie van het detecteren van donkere materie verder te verkennen.