Natuurkundigen die de fundamentele structuur van de natuur proberen te begrijpen, vertrouwen op consistente theoretische kaders die kunnen verklaren wat we zien en tegelijkertijd voorspellingen doen die we kunnen testen. Op de kleinste schaal van elementaire deeltjes, het standaardmodel van de deeltjesfysica vormt de basis van ons begrip.

Op de schaal van de kosmos, veel van ons begrip is gebaseerd op het "standaardmodel van de kosmologie". Geïnformeerd door Einsteins algemene relativiteitstheorie, het stelt dat het grootste deel van de massa en energie in het universum bestaat uit mysterieuze, onzichtbare stoffen die bekend staan ​​als donkere materie (die 80% van de materie in het universum uitmaken) en donkere energie.

In de laatste paar decennia, dit model is opmerkelijk succesvol geweest in het verklaren van een breed scala aan waarnemingen van ons universum. Toch weten we nog steeds niet waaruit donkere materie bestaat - we weten alleen dat het bestaat vanwege de aantrekkingskracht die het uitoefent op clusters van sterrenstelsels en andere structuren. Een aantal deeltjes zijn voorgesteld als kandidaten, maar we kunnen niet met zekerheid zeggen uit welke een of meer deeltjes donkere materie bestaat.

Nu stelt onze nieuwe studie - die erop wijst dat extreem lichte deeltjes, neutrino's genaamd, waarschijnlijk een deel van de donkere materie vormen - ons huidige begrip van de samenstelling ervan uit.

Warm versus koud

Het standaardmodel stelt dat donkere materie "koud" is. Dat betekent dat het bestaat uit relatief zware deeltjes die aanvankelijk trage bewegingen maakten. Als gevolg hiervan, het is heel gemakkelijk voor aangrenzende deeltjes om samen te komen om objecten te vormen die door de zwaartekracht zijn gebonden. Het model voorspelt daarom dat het heelal gevuld zou moeten zijn met kleine donkere materie "halo's", waarvan sommige zullen samensmelten en steeds massievere systemen zullen vormen - waardoor de kosmos "klonterig" wordt.

Echter, het is niet onmogelijk dat op zijn minst een deel van de donkere materie "heet" is. Dit zou bestaan ​​uit relatief lichte deeltjes met vrij hoge snelheden - wat betekent dat de deeltjes gemakkelijk kunnen ontsnappen uit dichte gebieden zoals sterrenstelsels. Dit zou de accumulatie van nieuwe materie vertragen en leiden tot een universum waar de vorming van structuur wordt onderdrukt (minder klonterig).

Neutrino's, die met extreem hoge snelheden in het rond suizen, zijn een goede kandidaat voor hete donkere materie. Vooral, ze zenden geen licht uit of absorberen geen licht, waardoor ze "donker" lijken. Lange tijd werd aangenomen dat neutrino's, die in drie verschillende soorten voorkomen, heb geen massa Maar experimenten hebben aangetoond dat ze van de ene soort naar de andere kunnen veranderen (oscilleren). belangrijk, wetenschappers hebben aangetoond dat deze verandering vereist dat ze massa hebben, waardoor ze een legitieme kandidaat zijn voor hete donkere materie.

In de laatste paar decennia, echter, zowel experimenten met deeltjesfysica als verschillende astrofysische argumenten hebben uitgesloten dat neutrino's het grootste deel van de donkere materie in het universum uitmaken. Bovendien, het standaardmodel gaat ervan uit dat neutrino's (en hete donkere materie in het algemeen) zo weinig massa hebben dat hun bijdrage aan donkere materie volledig kan worden genegeerd (in de meeste gevallen verondersteld 0%). En, tot voorkort, dit model heeft een grote verscheidenheid aan kosmologische waarnemingen vrij goed gereproduceerd.

Afbeelding wijzigen

In de laatste paar jaren, de kwantiteit en kwaliteit van kosmologische waarnemingen is enorm gestegen. Een van de meest prominente voorbeelden hiervan is de opkomst van "zwaartekrachtlenswaarnemingen". De algemene relativiteitstheorie vertelt ons dat materie de ruimtetijd kromt zodat licht van verre sterrenstelsels kan worden afgebogen door massieve objecten die zich tussen ons en de sterrenstelsels bevinden. Astronomen kunnen een dergelijke doorbuiging meten om de groei van de structuur (de "lumpiness") in het universum over de kosmische tijd te schatten.

Deze nieuwe datasets hebben kosmologen een aantal manieren geboden om de voorspellingen van het standaardmodel in detail te testen. Een beeld dat uit deze vergelijkingen naar voren begint te komen, is dat de massaverdeling in het heelal minder klonterig lijkt dan het zou moeten zijn als de donkere materie helemaal koud is.

Echter, vergelijkingen maken tussen het standaardmodel en de nieuwe datasets is misschien niet zo eenvoudig als eerst werd gedacht. Vooral, onderzoekers hebben aangetoond dat de schijnbare klonterigheid van het universum niet alleen wordt beïnvloed door donkere materie, maar ook door complexe processen die de normale materie (protonen en neutronen) aantasten. Eerdere vergelijkingen gingen ervan uit dat normale materie, die zowel zwaartekracht als drukkrachten "voelt", wordt verdeeld als donkere materie, die alleen de zwaartekracht voelt.

Nu heeft onze nieuwe studie de grootste reeks kosmologische computersimulaties van normale en donkere materie tot nu toe opgeleverd (BAHAMAS genaamd). We hebben ook zorgvuldige vergelijkingen gemaakt met een breed scala aan recente waarnemingen. We concluderen dat de discrepantie tussen de nieuwe waarnemingsdatasets en het standaard koude donkere-materiemodel nog groter is dan eerder werd beweerd.

We hebben uitgebreid gekeken naar de effecten van neutrino's en hun bewegingen. Zoals verwacht, toen neutrino's in het model werden opgenomen, de structuurvorming in de kosmos was weggespoeld, waardoor het universum minder klonterig wordt. Onze resultaten suggereren dat neutrino's tussen 3% en 5% van de totale massa van donkere materie uitmaken. Dit is voldoende om een ​​grote verscheidenheid aan waarnemingen consistent te reproduceren, inclusief de nieuwe zwaartekrachtlensmetingen. Als een groter deel van de donkere materie "heet" is, de groei van structuur in het universum wordt te veel onderdrukt.

Het onderzoek kan ons ook helpen het mysterie op te lossen van wat de massa van een individueel neutrino is. Uit verschillende experimenten, deeltjesfysici hebben berekend dat de som van de drie neutrinosoorten ten minste 0,06 elektronvolt moet zijn (een eenheid van energie, vergelijkbaar met joule). Dit kun je omrekenen naar een schatting van de totale bijdrage van neutrino's aan donkere materie, en het komt uit op 0,5%. Aangezien we hebben ontdekt dat het eigenlijk zes tot tien keer groter is dan dit, we kunnen afleiden dat de neutrinomassa in plaats daarvan ongeveer 0,3-0,5 eV zou moeten zijn.

Dit komt verleidelijk dicht in de buurt van waarden die daadwerkelijk kunnen worden gemeten door komende deeltjesfysica-experimenten. Als deze metingen de massa's bevestigen die we in onze simulaties hebben gevonden, dit zou heel geruststellend zijn - het zou ons een consistent beeld geven van de rol van neutrino's als donkere materie, van de grootste kosmologische schalen tot het kleinste deeltjesfysica-rijk.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.