Donkere materie zendt geen licht uit en wetenschappers weten alleen dat het bestaat omdat ze, als ze naar de nachtelijke hemel kijken, sterrenstelsels veel sneller zien draaien dan zou moeten. De wetten van de natuurkunde suggereren dat deze sterrenstelsels zichzelf met zulke kolossale snelheden aan flarden moeten scheuren. Maar astronomen zien geen sterrenstelsels uit elkaar vliegen, wat impliceert dat er veel meer stof in zit dan wat in de vorm van sterren kan worden waargenomen, en dus meer zwaartekracht die alles bij elkaar houdt.
Al tientallen jaren kunnen astronomen meten hoe donkere materie zich gedraagt en kunnen ze wijzen naar delen van de hemel waar deze moet bestaan. Maar wat het eigenlijk is, dat blijft een mysterie. De leidende hypothese, die de naam ‘Cold Dark Matter’ (CDM) draagt, suggereert dat donkere materie een vloeistof is van deeltjes die traag bewegen ten opzichte van de snelheid van het licht, en met elkaar en al het andere in het universum in wisselwerking staan, voornamelijk via zwaartekracht.
De geest opgeven
Maar na meer dan een halve eeuw vruchteloos zoeken, verergerd door een reeks recente astronomische anomalieën, zit CDM in de problemen. Natuurkundigen evolueren naar een ander theoretisch raamwerk, bekend als ‘Self-Interacting Dark Matter’ (SIDM), dat het bestaan voorstelt van een verborgen universum van donkere deeltjes en duistere krachten, dat parallel bestaat met de bekende deeltjes en krachten van normale materie. Dit duistere universum zou zelfs zijn eigen ‘Dark Big Bang’ kunnen hebben gehad, een geboortegebeurtenis die enige tijd na de meer bekende oerknal zou hebben plaatsgevonden die 14 miljard jaar geleden in het universum begon.
CDM vormt een pijler van het Standaardmodel van de Kosmologie. De andere, die donkere energie wil verklaren, staat bekend onder de Griekse letter Lambda. Samen reproduceren deze beschrijvingen bijna perfect de evolutie van de soorten grootschalige structuren die astronomen tegenwoordig in het universum waarnemen: sterrenstelsels, galactische clusters en gigantische galactische superclusters.
De theorie is agnostisch over de precieze deeltjes waaruit donkere materie bestaat. Maar de meest veelbelovende kandidaten tot nu toe staan bekend als Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs). Dit zijn deeltjes met tot wel 1000 keer de massa van een proton en modellen van het vroege heelal voorspellen dat – als WIMP’s bestaan – ze vandaag de dag in de juiste hoeveelheden aanwezig zouden moeten zijn om donkere materie te verklaren, een gelukkig toeval dat bekend staat als de ‘WIMP’. wonder”.
Over de hele wereld zijn tientallen zeer gevoelige detectoren gebouwd om WIMP's te detecteren. Velen verstoppen zich honderden meters onder de grond om ze tegen lawaai te beschermen en ze de grootste kans te geven de subtiele interacties te detecteren die WIMP's naar verwachting met normale materie zullen maken. Er bestaat zelfs de hoop dat deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider (LHC) op CERN in Zwitserland een of twee WIMP-kandidaten zouden kunnen ontdekken in de granaatscherven van botsingen met hoogenergetische deeltjes. Helaas zijn WIMP's, ondanks ruim veertig jaar en miljoenen dollars die aan de zoektocht zijn besteed, koppig ongrijpbaar gebleven.
Dat is niet het enige probleem met CDM. De theorie doet geweldig werk bij het reproduceren van de grootschalige structuren van het universum, maar nu nieuwe telescopen astronomen in staat stellen steeds dieper in verre sterrenstelsels te kijken en snel verbeterde supercomputersimulaties hen in staat stellen de implicaties van CDM op kleinere schaal te onderzoeken, wordt het steeds Het is duidelijk dat de theorie niet zo goed presteert in het reproduceren van veel fijnmaziger structuren van het universum.
De donkere kant van de maan
Er vallen twee anomalieën op. De eerste betreft de structuur van sterrenstelsels. CDM impliceert dat, omdat het langzaam beweegt en de effecten van de zwaartekracht voelt, donkere materie zich in ondoorgrondelijk hoge dichtheden zou moeten ophopen in de kernen van sterrenstelsels. Maar dit is niet wat astronomen waarnemen. De dichtheid van donkere materie neemt toe als je van de rand van een echt sterrenstelsel naar het centrum reist. Maar enkele duizenden lichtjaren vanuit het midden bereikt de dichtheid een plateau en blijft dan stabiel tot in de kern.
De tweede anomalie betreft satellietstelsels. CDM impliceert dat grote sterrenstelsels in een baan rond duizenden kleinere satellietstelsels zouden moeten draaien. Maar dit is ook niet wat astronomen waarnemen. De Melkweg, en soortgelijke sterrenstelsels, worden doorgaans omringd door een handvol satellietstelsels, en de sterrenstelsels die astronomen waarnemen zijn ook kleiner dan voorspeld door CDM.
Deze discrepanties kunnen worden verklaard door SIDM. Eenvoudige versies van de theorie stellen slechts één nieuw elementair deeltje van donkere materie en één nieuwe fundamentele ‘donkere kracht’ voor; in meer complexe versies is er een smorgasbord van nieuwe donkere deeltjes en krachten, die voortdurend met elkaar in wisselwerking staan. De meer complexe versies zijn geïnspireerd door het gevestigde standaardmodel van de deeltjesfysica, dat een kwantummechanische beschrijving is van alle deeltjes (zoals quarks en elektronen) en krachten (de sterke, zwakke en elektromagnetische) van normale materie.
Eén versie van SIDM introduceert een nieuwe duistere kracht die gelijkwaardig is aan elektromagnetisme, die wordt gevoeld door een hypothetisch deeltje met een ‘donkere’ lading – in wezen een donker elektron – dat op elkaar inwerkt door ‘donkere fotonen’ uit te wisselen. In tegenstelling tot het bekende foton, dat massaloos is en de elektromagnetische kracht draagt, kunnen donkere fotonen potentieel een massa dragen.
SIDM lost de problemen op die CDM teisteren, terwijl alle functies behouden blijven die CDM in de eerste plaats aantrekkelijk maakten. Als donkere materie met zichzelf kan interageren, zouden de deeltjes zich van elkaar kunnen verspreiden, waardoor een druk in het centrum van sterrenstelsels ontstaat die verhindert dat de donkere materie ondoorgrondelijk hoge dichtheden bereikt. Dit is vergelijkbaar met de druk in een ballon, veroorzaakt doordat luchtmoleculen tegen elkaar stuiteren. Dat zou verklaren waarom de dichtheden van donkere materie in galactische kernen zoveel lager zijn dan voorspeld door CDM.
Dit idee slaat twee vliegen in één klap. In een artikel dat eind 2022 in het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society werd gepubliceerd, toonden Victor .no en collega’s van de Universiteit van Durham aan dat sterrenstelsels met minder geconcentreerde donkere materie in hun kernen satellietdwergstelsels op gewelddadiger wijze kannibaliseren in een proces dat bekend staat als “ getijdenstripping”, waarbij de zwaartekracht van het grotere sterrenstelsel zowel de materie als de donkere materie van zijn satellieten verwijdert. Dat zou verklaren waarom er minder satellieten zijn dan CDM voorspelt en waarom de waargenomen satellieten kleiner zijn dan CDM voorspelt. uitgekleed tot een kleiner formaat of uitgekleed tot niet-bestaan.
Naast het oplossen van problemen met CDM, doet SIDM ook voorspellingen waarmee het kan worden getest aan de hand van CDM. In de omstandigheden die het vroege universum definieerden, maar die vandaag de dag gelukkig niet meer aanwezig zijn in het universum, laten zowel CDM als SIDM de mogelijkheid van ‘donkere sterren’ toe. Dit zijn geen sterren zoals we ze vandaag de dag kennen, maar in plaats daarvan zonne-sterren. systeemgrote gaswolken waarin donkere materie en zijn antimaterie-tegenhanger – donkere antimaterie – een oorlog van voortdurende wederzijdse vernietiging voerden. Omdat bij dergelijke interacties zelfs exponentieel meer energie vrijkomt dan bij kernfusie, zouden deze gigantische diffuse gaswolken hebben gegloeien met het licht van de gaswolk. een heel modern sterrenstelsel.
In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift PNAS in juli 2023 identificeerden Katherine Freese, een deeltjesfysicus aan de Universiteit van Texas, en haar collega's drie objecten die oud genoeg, helder genoeg en compact genoeg waren om donkere sterkandidaten te zijn in gegevens verzameld door de James Webb-ruimtetelescoop. “Als dit donkere sterren blijken te zijn – en dat kan met meer gegevens worden bevestigd – zouden hun massa’s, temperaturen en emissiespectra op een dag kunnen worden gebruikt om onderscheid te maken tussen modellen voor donkere materie, inclusief tussen CDM en SIDM”, zegt ze.
Dr. Freese heeft ook gepleit voor een donkere oerknal die in de dagen na de oerknal onafhankelijk van normale materie aanleiding had kunnen geven tot donkere materie. Het traditionele model van het universum zegt dat materie en donkere materie tegelijkertijd zijn geproduceerd. Het vroegste bewijs van donkere materie verschijnt echter pas later in de vroege evolutie van het universum, wanneer de kosmische structuur zich begint te vormen.
Eén verklaring hiervoor is dat materie en donkere materie feitelijk niet samen zijn verschenen, maar dat donkere materie het universum binnendrong in een tweede cataclysmische vrijgave van energie uit het vacuüm – de Dark Big Bang – ruim een maand na de traditionele gebeurtenis. Oerknal. Het model dat dr. Freese en haar co-auteur Martin Winkler hebben onderzocht, zou verklaren waarom donkere materie mogelijk volledig is losgekoppeld van traditionele materie en op natuurlijke wijze ook SIDM-kandidaten voortbrengt. Als er zo'n donkere oerknal zou zijn geweest, zou deze een duidelijke signatuur hebben achtergelaten – een patroon in de frequenties van de zwaartekrachtsgolven die door het universum zoemen – dat zou kunnen worden opgepikt door toekomstige zwaartekrachtgolfdetectoren.
Ten slotte kunnen er ook manieren zijn om zelfinteragerende donkere materie rechtstreeks te detecteren. Het feit dat SIDM-kandidaten aanzienlijk lichter zijn dan WIMP's betekent dat traditionele WIMP-detectoren, die de afgelopen decennia in gebruik zijn geweest, ze waarschijnlijk hebben gemist. Nieuwe experimenten zouden daar verandering in kunnen brengen.
De FASER-detector bij de LHC, die in 2022 begon met het verzamelen van gegevens, is ontworpen om extreem lichte donkere materiedeeltjes te detecteren, zoals donkere fotonen, die zouden kunnen worden geproduceerd bij botsingen bij de LHC. Op dezelfde manier zal het SuperCDMS-experiment bij SNOLAB in 2024 van start gaan. SuperCDMS, diep onder de grond in een werkende mijn in Canada, is ontworpen om subtiele botsingen te detecteren tussen lichte donkere materiedeeltjes – inclusief SIDM-kandidaten – en atomen in silicium- en germaniumkristallen.
Niet langer bang in het donker
Voorlopig blijft de donkere materie echter resoluut in haar weigering haar geheimen prijs te geven. Gelukkig hebben natuurkundigen zelden een tekort aan ideeën. SIDM is misschien niet degene die de ware aard van donkere materie ontsluiert, maar één idee zal dat uiteindelijk wel doen.
Intussen biedt het een romantische visie op de kosmos. Er schuilt troost in het idee dat astronomen die bestaan uit donkere atomen die door telescopen turen die donkere fotonen vergroten, zich misschien ook op hun hoofd krabben en zich afvragen waarom er een kleine hoeveelheid materie in hun universum ontbreekt.
Nieuwsgierig naar de wereld? Meld u aan om te genieten van onze geestverruimende wetenschapsdekking Gewoon wetenschaponze wekelijkse nieuwsbrief, uitsluitend voor abonnees.
© 2024, The Economist Newspaper Limited. Alle rechten voorbehouden. Uit The Economist, uitgegeven onder licentie. De originele inhoud is te vinden op www.economist.com
Ontgrendel een wereld aan voordelen! Van inzichtelijke nieuwsbrieven tot realtime voorraadtracking, het laatste nieuws en een gepersonaliseerde nieuwsfeed – het is er allemaal, slechts één klik verwijderd! Log nu in!
Bekijk al het zakelijke nieuws, marktnieuws, laatste nieuwsevenementen en laatste nieuwsupdates op DailyExertNews. Download de Mint News-app om dagelijkse marktupdates te ontvangen.
Meer of minder
Gepubliceerd: 6 mei 2024, 17:00 uur IST