De vreemde vorm van stroperige donkere materie, die verantwoordelijk is voor het grootste deel van de materie in het universum, zou een verrassend effect kunnen hebben op de vroege evolutie ervan - en ervoor zorgen dat rimpelingen van de oerknal gemakkelijker te detecteren zijn. Het is bekend dat donkere materie een mysterieuze substantie is die 80% van de substantie in onze wereld uitmaakt, maar alleen gravitatie in wisselwerking staat met gewone materie. Momenteel wordt de meest populaire kandidaat voor donkere materie beschouwd als WIMP's (WIMP's), die zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes zijn, maar decennia van zoeken naar dit deeltje hebben nergens toe geleid. WIMP's voorspellen ook specifieke dingen die we niet in het heelal zien, zoals een zwerm mini-sterrenstelsels rond de Melkweg.
Er zijn andere kandidaten voor donkere materie. Paul Shapiro van de Universiteit van Texas in Austin en zijn collega's hebben bijvoorbeeld eerder een alternatieve vorm van donkere materie onderzocht die deeltjes bevat die bosonen worden genoemd en die - in tegenstelling tot WIMP's en gewone materie - zich in dezelfde kwantumtoestand kunnen bevinden. Door deze eigenschap kunnen ze ook samensmelten tot een vreemde, stroperige toestand van materie - een Bose-Einstein-condensaat (BEC), waarin een populatie van een deeltje zich gedraagt als een enkel kwantumobject.
Nu bestuderen Shapiro en zijn afgestudeerde student Buha Li hoe deze vorm van donkere materie het vroege universum had kunnen beïnvloeden.
Groeispurt
Kosmologen zijn gewend te denken dat het universum in de eerste momenten van zijn bestaan een exponentiële groeispurt heeft doorgemaakt. Deze expansie, die plaatsvond in de eerste splinters van seconden na de oerknal, wordt inflatie genoemd en werd verondersteld relativistische rimpelingen door ruimtetijd te sturen - oer-zwaartekrachtgolven (of primitief, noem het maar).
Natuurkundigen dachten dat ze het bewijs van deze golven zagen toen ze in 2013 met de BICEP2-telescoop werkten, maar dit bleek niet het geval te zijn. Maar eerder dit jaar zag het LIGO-experiment zwaartekrachtgolven van botsende zwarte gaten, wat bewees dat dergelijke golven echt bestaan.
Op de standaardfoto zouden deze oerzwaartekrachtgolven zo klein moeten zijn dat LIGO ze nooit zal zien. "Er gebeurt iets heel anders in ons model", zegt Shapiro. "Donkere materie verandert zijn gedrag als we teruggaan in de tijd."
Promotie video:
Hoewel stroperige donkere materie zich op precies dezelfde manier gedraagt als WIMP's tegenwoordig, laten de berekeningen van wetenschappers zien dat het gedrag in de vroege stadia veranderde: het handelde niet als materie, maar als straling. Donkere materie ging nog verder terug in de tijd en was dichter en gedroeg zich als een vloeistof, weerstand biedend aan compressie.
"Als we het proberen te doorbreken, moeten we rekening houden met de druk", zegt Shapiro. - Als je het op een stapel verzamelt, wil het weer opzwellen. We lijken het universum met vloeistof te vullen."
Wetenschappers hadden dit niet verwacht.
Deze elasticiteit betekent dat deze vreemde stroperige donkere materie de expansiesnelheid van het universum op dat moment mogelijk heeft vertraagd. Beginnend aan het einde van de inflatie, zou het universum veel langzamer uitzetten met donkere materie dan zonder.
Maar de primaire zwaartekrachtgolven zouden met dezelfde snelheid als voorheen door het jonge heelal moeten zijn geschoten. En omdat ze gemakkelijker tegen de achtergrond konden worden afgedrukt, zijn ze misschien gemakkelijker te herkennen.
Primaire golven
In een lezing op een bijeenkomst van de American Physical Society in Salt Lake City, Utah, vorige maand, zeiden een paar wetenschappers dat dergelijke donkere materie de expansie voldoende zou kunnen onderdrukken om oerzwaartekrachtsgolven te detecteren door LIGO-krachten.
“In de standaardgeschiedenis zullen ze zonder onze donkere materie ver onder de limiet zijn waarop zwaartekrachtgolfdetectoren, huidige of toekomstige, ze kunnen detecteren. Maar ons model laat zien dat er nog steeds hoop is."
Tanya Rejimbo van het LIGO-team wijst erop dat aangezien er veel is dat we niet weten over het vroege universum, het onmogelijk is om met zekerheid te zeggen over een dergelijke mogelijkheid. Volgens haar is er geen garantie dat deze golven bestaan of dat onze toekomstige detectoren ze zullen kunnen zien. Maar dit werk is interessant omdat het zo'n kans biedt.
ILYA KHEL
