Donkere Materie
Bram Achterberg Sterrenkundig Instituut Universiteit Utrecht
Een paar feiten over ons heelal •
Het heelal zet uit (Hubble, 1924);
•
Ons heelal is zo’n 14 miljard jaar oud;
•
Ons heelal was vroeger veel heter, en had een grote dichtheid;
•
De dichtheid van het heelal wordt grotendeels geleverd door ‘donkere’ componenten: Donkere materie Donkere energie
De geboorte van de moderne kosmologie Einstein,
Friedmann
&
Hubble
Friedmann’s dynamisch heelal (1924)
Hubble-expansie in het “Mieren-universum”
Uitrekken met een factor 2
Mee-rekkende coördinaten
Centimeters
(fysische afstand)
Waarom geloven sterrenkundigen in het Oerknalmodel? 1.
We zien de expansie van het Heelal • Hubble’s wet voor de roodverschuiving
2. We zien de overblijfselen van de vroege evolutiefases van het Heelal: • De Kosmische Achtergrondstraling • De kernfusie-producten van de Voorwereldlijke Nucleosynthese Overblijfselen van het jonge heelal bij hoge dichtheid en een hoge temperatuur!
Roodverschuiving, blauwverschuiving en de beweging van een lichtbron
blauwverschuiving
roodverschuiving Bron
Waargenomen golflengte v.h. licht
Spectrum
De Kosmische Achtergrondstraling Penzias & Wilson
De Kosmische Achtergrondstraling: fotonen overgebleven van het moment dat het Heelal doorzichtig werd
T > 4500 K: elektronen bewegen vrij;
fotonen worden sterk vertrooid; het Heelal is ondoorzichtig.
T ~ 4500 K: Waterstof- en Heliumkernen vangen de losse elektronen; Het heelal wordt transparant.
T < 4500 K: Het Heelal is geheel doorzichtig; De
overgebleven fotonen koelen steeds verder af: de roodverschuiving.
Intensiteit (10-7 W / m2 sr cm-1)
Spectrum achtergrondstraling (COBE)
T ≈ 2.73 ± 0.02 Kelvin
Golven per centimeter
Waterstofverbranding
Neutronverval (12 minuten)
Materiedichtheid (t.o.v. fotonen)
Abundantie van de Elementen (t.o.v. waterstof)
De “Heilige Gralen” van de Kosmologie
1.
De waarde van Hubble’ constante. - De leeftijd van het Heelal
2.
De massadichtheid van het Heelal - De toekomst van het Heelal: stort het weer in, of blijft het expanderen
3.
De samenstelling van het Heelal - Fundamentele fysica
Vluchtsnelheid V (in km/s)
Heilige Graal I: het Hubble-diagram
Afstand D (in Mega-parsec)
De meest moderne bepaling van de Hubble-constante H0
(Hubble Space Telescope Key Project, 2001)
1 Mpc ~ 3.000.0000 lichtjaar
Mogelijke modellen van een expanderend Heelal T O E K O M S T
Vertragende expansie
Constante expansiesnelheid
Versnellende expansie
V R O E G E R
{
N U
Een heelal met een vertragende expansie bereikt de huidige afmeting in de minste tijd. Het expandeerde vroeger immers sneller!
Mogelijke modellen van een expanderend Heelal T O E K O M S T
Vertragende expansie
Constante expansiesnelheid
N U
V R O E G E R
Een heelal dat met een constante expansiesnelheid doet er langer over.
Versnellende expansie
Mogelijke modellen van een expanderend Heelal T O E K O M S T
Vertragende expansie
Constante expansiesnelheid
N U
V R O E G E R
Een heelal waarin de expansie continu versnelt is –bij gegeven afmeting- het oudst. Vroeger expandeerde het immers langzamer! De expansie kan alleen maar versnellen als er een soort afstotende kracht aanwezig is: de zwaartekracht van alle materie in het heelal remt de expansie alleen maar!
Versnellende expansie
Heilige Graal II & III: de materiedichtheid en de samenstelling
Kosmologische schaal: miljarden lichtjaar ~ 1028 cm
Atomaire schaal: 10-14 cm
Quantum (Planck)schaal: 10-43 cm
Basiseigenschappen van ons Heelal
1.
Ons heelal heeft een vlakke geometrie;
2. Ons heelal is 14,2 miljard jaar oud; 3. De massadichtheid van ons heelal is als volgt samengesteld: - 5% gewone materie (sterren, gas, planeten…) - 25% donkere materie (elementaire deeltjes?) - 70% donkere energie (eigenschap van lege ruimte)
Bijdragen aan de dichtheid van het heelal Soort
Samenstelling
Bewijs
Bijdrage
Zichtbare materie
Waterstof en Helium in sterren
Waarnemingen met telescopen: het tellen van fotonen!
0.01
Baryonische donkere materie
Bruine Dwergen?
Berekeningen nucleosynthese in Oerknal
0.04
Exotische donkere materie
?????
Gravitatiewerking: snelheidsmetingen!
0.25
Kosmologische Quantum-veld constante (donkere energie)
Verre supernovae & 0.70 de Kosmische Achtergrondstraling
Meten van de expansiegeschiedenis van ons heelal: verre supernovae 70 % DONKERE ENERGIE
25 % DONKERE MATERIE
5 % GEWONE MATERIE (1% licht, 4% donker)
Meten van de lichtopbrengst van sterren
Meten van de bewegingssnelheid van sterren in sterrenstelsels, en van sterrenstelsels in Clusters
Meten van massa: lichtgevende materie
25 ton materie per Watt lichtopbrengst (voornamelijk waterstof)
Kernfusiezone (25% van de massa) Stralingszone
Convectie-zone ZON
Meten van massa: lichte + donkere materie rotatiesnelheden in spiraalstelsel
w u a Bl
rs e v
n e ov h c
s
in l tra
g
Roodverschoven str aling
Rotatie-curve van een Spiraalstelsel
Rotatiesnelheid (in km/s)
Totaal + gegevens
Bijdrage van de donkere materie
Bijdrage van de lichtgevende materie
Afstand tot centrum sterrenstelsel (in kpc)
Fritz Zwicky & De Coma Cluster Zwicky merkte al in 1933 op dat de sterrenstelsels in de Coma Cluster te snel bewegen
GM V = r 2
V = bewegingsnelheid M = massa Cluster G = Gravitatieconstante r = straal Cluster
Conclusies: •
Maar 4% van alle materie geeft licht
•
Samenstelling van de donkere materie is onbekend: – Geen waterstofatomen – Geen zwarte gaten of donkere sterren
Zelfs koud waterstofgas is “zichtbaar”! Sterrenstelsel (zichtbaar licht)
Wolk Waterstofgas (radiostraling)
Wat is het dan wel? Meest waarschijnlijke antwoord: WIMPS
Weakly Interacting Massive Particles
Praktijkvoorbeeld: Zonne-neutrino’s en de Zwakke Wisselwerking
Per seconde vliegen er 5 biljoen neutrino’s door de hand
De fundamentele deeltjes van het Standaardmodel Bouwstenen van de zware kerndeeltjes
De overbrengers van de fundamentele natuurkrachten
Lichte deeltjes
De fundamentele deeltjes van het Standaardmodel
Familie III
Familie II
Familie I
Steeds zwaarder
Donkere Materie vereist deeltjes die niet in het Standaardmodel passen! • Supersymmetrische deeltjestheorie? • Axionen? • Andere hypothetische deeltjes?
HET STANDAARDMODEL IS INCOMPLEET!
Wat is donkere energie? (en wat is het niet?) Donkere energie is: • Een eigenschap van lege ruimte; • Homogeen verdeeld over het heelal; • Begrepen in principe, onbegrepen in detail.
Donkere energie is niet: • In de vorm van deeltjes; • Hetzelfde als donkere materie; • Een vorm van anti-materie of een soort anti-zwaartekracht.
Verschillen Donkere Materie en Donkere Energie Donkere materie….
Donkere Energie
Bestaat uit deeltjes
Is een eigenschap van lege ruimte
Is inhomogeen verdeeld: clustering onder invloed van de zwaartekracht
Is homogeen verdeeld
Heeft een nog onbekende samenstelling
Is in principe begrepen, maar de details zijn nog onbekend
Remt door zijn zwaartekracht de expansie van het heelal
Versnelt de expansie van het heelal
Donkere Energie en de Kosmologische Constante
•
De kosmologische constante werd in 1925 door Einstein voorgesteld als “extra” term in zijn Algemene Relativiteitstheorie
•
In 1923 weer door Einstein verworpen in reactie op de heelalmodellen van Willem de Sitter
• Rond 1980 weer in de mode in Inflatie-theorie voor het vroege heelal (Guth & Linde) • Na 1998 noodzakelijk als verklaring van de waarnemingen voor het huidig heelal: verre supernovae & achtergrondstraling
Donkere Energie in het huidig Heelal
Aanwijzingen: 1.
De helderheid-roodverschuiving relatie van verre supernovae van Type Ia;
2. De eigenschappen van temperatuurswisselingen in de Kosmische Achtergrondstraling
Type 1A Supernovae
magnitude m
lichtzwak
Meer roodverschuiving = verder weg = langer geleden
helder dichtbij
roodverschuiving z
ver weg
nog verder roodverschoven
roodverschoven
Leeftijd ~ 14 miljard jaar
nu Versnelde expansie verre supernovae
schaalfactor
Expanderend Friedmann-Lemaitre Heelal
Vertraagde expansie
Constant afremmende expansie
Verleden
Heden
Toekomst
Heelal met eerst een afremmende expansie, gevolgd door een versnelde expansie
Nu
Nu
Oerknal Oerknal
Schaalfactor van het Heelal
Het Friedmann-Lemaitre Heelal
r e d n Zo
A sn r ve
v
ra t r e
in l l e
g
g n i g
Leeftijd (in miljarden jaren)
re e k don
tr r e v tl ijd
gie r e en
ng i g a
!
Aanvullend bewijs: Kosmische Achtergrondstraling en de Grote-Schaal Structuur
2DF Survey
WMAP
Beste opname van de hemel in de gloed van de Kosmische Achtergrondstraling (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, 2003)
DE GEOMETRIE VAN HET HEELAL
OPEN
VLAK
Temperatuurswisselingen op een schaal < 1 graad
Temperatuurswisselingen op een schaal ~1 graad
GESLOTEN Temperatuurswisselingen op een schaal > 1 graad
Het lokale Heelal
U bent hier!
1 miljard lichtjaar
0
pc
25
M
00
00
in
1 Mpc ~ 3.000.000 lichtjaar
20
d an st
15 0
Af
10
00
50
0
2DF Galaxy Survey
De grote-schaal structuur
De geometische eigenschappen van het Heelal
Gesloten Heelal Hoge dichtheid:
Stort ooit weer in!
Open Heelal Lage dichtheid
Blijft altijd expanderen!
Vlak Heelal
Grensgeval met een speciale dichtheid
Geometrie en de evolutie van ons Heelal
vl a d o k, en nk me er ere t gi e
Schaalfactor van het Heelal
Materie en Donkere Energie: effect op de expansie van het Heelal
en op vlak
gesloten
Nu
Leeftijd (in miljarden jaren)
De samenstelling van het heelal verandert! 3 miljard jaar na de Oerknal (11 miljard jaar in het verleden) 0.04 0.16
Donkere Materie Gewone materie Donkere Energie
0.80
De samenstelling van het heelal verandert! 7 miljard jaar na de Oerknal (7 miljard jaar in het verleden)
0.22
Donkere Materie Gewone materie
0.13
Donkere Energie
0.65
De samenstelling van het heelal verandert! 14 miljard jaar na Oerknal (nu)
0.25
Donkere Materie Gewone materie
0.05 Donkere Energie
0.70
De samenstelling van het heelal verandert! 25 miljard jaar (11 miljard jaar in de toekomst) 0.05 0.01
Donkere Materie Gewone materie Donkere Energie
0.94
Conclusies • De meeste massa in het heelal is donker • De samenstelling van de donkere materie is nog onbekend • Er bestaat ook donkere energie • De donkere energie versnelt de expansie van het heelal
