Wetenschap
Nieuwe modellen van Big Bang laten zien dat het zichtbare universum en de onzichtbare donkere materie gelijktijdig zijn geëvolueerd
Pran Nath, de Matthews Distinguished University Professor in de natuurkunde aan de Northeastern University, zegt dat "95% van het universum donker is en onzichtbaar voor het oog."
‘We weten echter dat het donkere universum er is door de aantrekkingskracht op sterren’, zegt hij. Afgezien van de zwaartekracht lijkt donkere materie nooit veel effect te hebben gehad op het zichtbare heelal.
Toch is de relatie tussen deze zichtbare en onzichtbare domeinen, vooral toen het universum zich voor het eerst vormde, een open vraag gebleven.
Nu zegt Nath dat er steeds meer bewijs is dat deze twee zogenaamd verschillende rijken daadwerkelijk samen zijn geëvolueerd.
Via een reeks computermodellen hebben Nath en Ph.D. kandidaat Jinzheng Li heeft ontdekt dat de zichtbare en de verborgen sectoren, zoals zij ze noemen, waarschijnlijk gelijktijdig zijn geëvolueerd in de momenten na de oerknal, met diepgaande gevolgen voor de manier waarop het universum zich daarna ontwikkelde.
Nath zegt dat er een tijd was dat sommige natuurkundigen deze verborgen sector effectief afschreven, omdat we het meeste kunnen verklaren van wat er in het zichtbare gebeurt. Dat wil zeggen:als onze modellen nauwkeurig kunnen weergeven wat we om ons heen kunnen zien gebeuren, waarom zouden we dan de moeite nemen om te meten iets dat geen waarneembaar effect heeft?
"De vraag is:wat is de invloed van de verborgen sector op de zichtbare sector?" vraagt Nath. "Maar wat kan ons dat schelen? We kunnen alles uitleggen."
Maar we kunnen niet alles verklaren, betoogt Nath. Er zijn afwijkingen die niet lijken te passen in het zogenaamde ‘Standaardmodel’ van het universum.
Dat de zichtbare en verborgen sectoren onderling geïsoleerd zijn, is een misvatting, zegt Nath, gebaseerd op de veronderstelling "dat de zichtbare en de verborgen sectoren onafhankelijk van elkaar zijn geëvolueerd." Nath wil die veronderstelling op zijn kop zetten.
In een artikel gepubliceerd in Physical Review D , "Big Bang Initial Condition and Self-Interacting Hidden Dark Matter", geschreven in samenwerking met Li, wil Nath vragen wat hij "de belangrijkste vraag noemt:hoe weten we dat ze onafhankelijk zijn geëvolueerd?"
Om deze veronderstelling te testen, introduceerden Nath en zijn team 'enkele zwakke interacties' tussen de twee sectoren in hun modellen van de oerknal. Deze schamele interacties zouden niet voldoende zijn om de uitkomst van bijvoorbeeld experimenten met deeltjesversnellers te beïnvloeden, ‘maar we wilden zien wat de effecten zouden zijn op de zichtbare sector als geheel’, zegt Nath, ‘uit de tijd van de Grote Bang naar de huidige tijd."
Zelfs met minimale interacties tussen de twee sectoren ontdekten Nath en zijn team dat de invloed van donkere materie op de zichtbare materie waaruit we bestaan een grote impact zou kunnen hebben op waarneembare verschijnselen.
De Hubble-expansie – die in de eenvoudigste bewoordingen zegt dat sterrenstelsels van elkaar weg bewegen, en dus dat het universum uitdijt – bevat bijvoorbeeld een ‘behoorlijk ernstig’ verschil tussen wat het Standaardmodel voorspelt en wat is waargenomen. . De modellen van Nath verklaren dit verschil gedeeltelijk.
Eén belangrijke variabele is de temperatuur van de verborgen sector tijdens de oerknal.
We kunnen er vrij zeker van zijn dat de zichtbare sector zeer heet begon op het moment van de oerknal. Terwijl het universum afkoelt, zegt Nath, "is wat we zien het overblijfsel uit die periode van het universum."
Maar door de evolutie van de twee sectoren te bestuderen, konden Nath en zijn team beide omstandigheden modelleren:een verborgen sector die warm begon, en een andere verborgen sector die koud begon.
Wat ze waarnamen was verrassend:ondanks aanzienlijke verschillen tussen de modellen, met grote gevolgen voor hoe het universum er in vroegere tijden uitzag, waren zowel de warme als de koude modellen consistent met de zichtbare sector die we vandaag de dag kunnen waarnemen.
Onze huidige metingen van het zichtbare universum zijn met andere woorden onvoldoende om te bevestigen aan welke kant de verborgen sector in het begin viel:warm of koud.
Nath wijst er snel op dat dit, in plaats van een mislukking van het experiment, een voorbeeld is van de wiskundige modellen die onze huidige experimentele mogelijkheden te boven gaan.
Het is niet zo dat het verschil tussen een warme of koude verborgen sector geen invloed heeft op het zichtbare universum, maar dat we – nog – geen experimenten hebben uitgevoerd met voldoende precisie. Nath noemt de Webb-telescoop als een voorbeeld van de volgende generatie instrumenten die zulke nauwkeurige waarnemingen zullen kunnen doen.
Het uiteindelijke doel van al dit modelleringswerk is om betere voorspellingen te doen over de toestand van het universum, hoe het allemaal functioneert en wat we zullen vinden als we steeds dieper in de nachtelijke hemel kijken.
Naarmate onze experimenten nauwkeuriger worden, zullen de vragen die in de modellen van Nath zijn ingebed (was de verborgen sector warm of koud?) hun antwoorden vinden, en zullen deze verduidelijkte modellen helpen de oplossingen voor steeds diepere vragen te voorspellen.
"Wat is de betekenis hiervan?" vraagt Nath. Mensen, zegt hij, 'willen hun plek in het universum vinden.' En meer dan dat, "ze willen de vraag beantwoorden:waarom is er een universum?
"En we onderzoeken deze kwesties. Het is de ultieme zoektocht van de mens."