Donkere materie, door zijn aard, is ongezien. We kunnen het niet met telescopen waarnemen, en evenmin hebben deeltjesfysici het geluk gehad om het via experimenten te detecteren.

Dus waarom geloven ik en duizenden van mijn collega's dat het grootste deel van de massa van het universum uit donkere materie bestaat, in plaats van de conventionele materie waaruit sterren bestaan, planeten, en alle andere zichtbare objecten in onze lucht?

Om die vraag te beantwoorden, moet je begrijpen wat donkere materie wel en niet kan doen, begrijpen waar in het universum het op de loer ligt, en realiseer je dat "donker" slechts het begin van de puzzel is.

Ongeziene invloed

Ons verhaal over donkere materie begint met snelheid en zwaartekracht. Door de hele kosmos zien we objecten die onder invloed van de zwaartekracht in banen bewegen. Net zoals de aarde om de zon draait, de zon draait om het centrum van onze melkweg.

De snelheid die nodig is om een ​​hemellichaam in een baan om de aarde te houden, is een functie van massa en afstand. Bijvoorbeeld, in ons zonnestelsel, De aarde beweegt met 30 km per seconde, terwijl de meest verre planeten met enkele kilometers per seconde treuzelen.

Onze melkweg is ongelooflijk massief, dus de zon draait met 230 km per seconde ondanks dat hij 26 is, 700 lichtjaar verwijderd van het centrum van onze melkweg. Echter, naarmate we verder van het centrum van de melkweg komen, de baansnelheden van de sterren blijft ongeveer constant. Waarom?

In tegenstelling tot ons zonnestelsel, waarvan de massa wordt gedomineerd door de zon, massa in onze melkweg is verspreid over duizenden lichtjaren. Naarmate men zich naar grotere afstanden van het galactische centrum verplaatst, de sterren en het gas dat zich binnen deze straal bevindt, neemt toe. Kan deze extra massa de enorme snelheden van de verste sterren in onze melkweg verklaren? Niet helemaal.

In de jaren 1960, de baanbrekende Amerikaanse astronoom Vera Rubin mat de baansnelheden in de Andromeda-melkweg (de melkweg naast de Melkweg) tot afstanden van 70, 000 lichtjaar van de kern van dat melkwegstelsel. Opmerkelijk, ondanks dat deze afstand veel groter is dan het grootste deel van Andromeda's sterren en gas, de omloopsnelheid bleef in de buurt van 250 km/s.

Dit fenomeen is ook niet uniek voor individuele sterrenstelsels. In de jaren dertig, De Zwitsers-Amerikaanse astronoom Fritz Zwicky ontdekte dat sterrenstelsels die in clusters van sterrenstelsels cirkelen veel sneller bewogen dan verwacht.

Wat gebeurd er? Een mogelijkheid is dat een enorme hoeveelheid onzichtbare massa zich voorbij de sterren en het gas uitstrekt. Dit is donkere materie.

Inderdaad, het werk van Zwicky, Rubin en volgende generaties astronomen geven aan dat er meer donkere materie in het universum is dan conventionele materie. (Wat betreft donkere energie, dat is een heel ander verhaal.)

Opmerkelijk, ons onvermogen om donkere materie te zien of te detecteren, geeft aanwijzingen over hoe het zich gedraagt. Het moet weinig interactie hebben met zichzelf en conventionele materie, afgezien van de zwaartekracht - anders zouden we hebben ontdekt dat het licht uitstraalt en in wisselwerking staat met andere deeltjes.

Omdat donkere materie voornamelijk interactie heeft via zwaartekracht alleen, het heeft een aantal merkwaardige eigenschappen. Een wolk heet gas in de ruimte kan energie verliezen door licht uit te zenden, en dus afkoelen. Een voldoende massieve en koude gaswolk kan onder zijn eigen zwaartekracht instorten om sterren te vormen.

Daarentegen, donkere materie kan geen energie verliezen door licht uit te zenden. Dus, terwijl conventionele materie kan instorten tot dichte objecten zoals sterren en planeten, donkere materie blijft meer diffuus.

Dit verklaart een schijnbare tegenstelling. Hoewel donkere materie de massa van het universum kan domineren, we denken dat er niet veel van in ons zonnestelsel is.

Simulatie succes

Omdat de beweging van donkere materie uitsluitend wordt gedomineerd door zwaartekracht, het is ook relatief eenvoudig analytisch en in simulaties te modelleren.

Sinds de jaren zeventig hebben we formules voor het aantal donkere-materiestructuren, die toevallig ook het aantal massieve sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels voorspellen. Verder, simulaties kunnen de opbouw van structuren door de geschiedenis van het universum modelleren. Het paradigma van donkere materie past niet alleen in data, het heeft voorspellende kracht.

Is er een alternatief voor donkere materie? We leiden zijn aanwezigheid af met behulp van zwaartekracht, maar wat als ons begrip van zwaartekracht verkeerd is? Misschien is de zwaartekracht op grote afstanden sterker dan we denken.

Er zijn verschillende alternatieve zwaartekrachttheorieën, met Mordehai Milgrom's Modified Newtonian Dynamics (MoND) als bekendste voorbeeld.

Hoe onderscheiden we donkere materie van gemodificeerde zwaartekracht? We zullen, in de meeste theorieën trekt de zwaartekracht naar de massa toe. Dus, als er geen donkere materie is, zwaartekracht trekt naar de conventionele materie, terwijl als donkere materie domineert, de zwaartekracht voornamelijk naar donkere materie zal trekken.

Dus het zou gemakkelijk moeten zijn om te zeggen welke theorie de juiste is, Rechtsaf? Niet precies, aangezien donkere materie en conventionele materie elkaar ruwweg volgen. Maar er zijn enkele nuttige uitzonderingen.

Smash wolken van gas en donkere materie samen en er gebeurt iets prachtigs. Het gas botst en vormt een enkele wolk, terwijl de donkere materiedeeltjes gewoon blijven voortbewegen onder invloed van de zwaartekracht. Dit gebeurt wanneer clusters van sterrenstelsels met enorme snelheden op elkaar botsen.

Hoe meten we de aantrekkingskracht van de zwaartekracht in botsende melkwegclusters? We zullen, zwaartekracht trekt niet alleen aan massa maar ook aan licht, dus vervormde beelden van sterrenstelsels kunnen de zwaartekracht traceren. En in botsende clusters van sterrenstelsels, zwaartekracht trekt naar waar de donkere materie zou moeten zijn, niet in de richting van de conventionele zaak.

Rimpelingen in de tijd

We kunnen de invloed van donkere materie niet alleen vandaag zien, maar ook in het verre verleden, terug naar de oerknal.

De kosmische magnetronachtergrond, het nagloeien van de oerknal, in alle richtingen te zien. En in deze vuurbal kunnen we rimpelingen zien, het resultaat van geluidsgolven die door geïoniseerd gas reizen.

Deze geluidsgolven ontstaan ​​door het samenspel van zwaartekracht, druk en temperatuur in het vroege heelal. Donkere materie draagt ​​bij aan de zwaartekracht, maar reageert niet op temperatuur en druk zoals conventionele materie, dus de sterkte van de geluidsgolven hangt af van de verhouding tussen conventionele materie en donkere materie.

Zoals verwacht, metingen van deze rimpelingen genomen door satellieten en observatoria op de grond onthullen dat er meer donkere materie is dan conventionele materie in ons universum.

Dus de zaak is gesloten? Is donkere materie zeker het antwoord? De meeste astronomen zouden zeggen dat donkere materie de eenvoudigste en beste verklaring is voor veel van de verschijnselen die we in het universum zien. Hoewel er potentiële problemen zijn voor de eenvoudigste modellen van donkere materie, zoals het aantal kleine satellietstelsels, het zijn eerder interessante problemen dan dwingende gebreken.

Maar het feit blijft dat we donkere materie nog niet rechtstreeks kunnen detecteren. Dit stoort mij niet bijzonder, omdat de natuurkunde een geschiedenis heeft van deeltjes die tientallen jaren nodig hadden om direct te detecteren. Als we het over 20 jaar nog niet hebben ontdekt, maak ik me misschien zorgen, maar voor nu wed ik dat donkere materie de echte deal is.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.