Ze zijn op zoek naar donkere materie op aarde, ondergronds en in de ruimte. Zijn mysterieuze deeltjes zijn onzichtbaar voor wetenschappelijke instrumenten en manifesteren zich nergens. Er is echter een solide "bewijsbasis" verzameld ten gunste van hun bestaan. Hebben wetenschappers de kans om ooit donkere materie te ontdekken?
Een belangrijk onderdeel van het universum
Deeltjes van donkere materie werden geboren kort na de oerknal, toen het universum een gloeiend heet plasma was. Terwijl ze afkoelden, vormden ze klonten die uiteindelijk zorgden voor het ontstaan van sterren en sterrenstelsels. Als het plasma alleen gewone deeltjes bevat die atomen vormen, dan zou de straling ze van elkaar afstoten, waardoor ze geen structuren zouden kunnen vormen. Door zwaartekracht gebonden objecten verschenen snel genoeg, wat betekent dat iets hen hielp. Een of andere enorme substantie hield hen tegen. Nu heeft het op geen enkele manier interactie met gewone materie, straalt het niet uit, daarom observeren we het op geen enkele manier.
Dit is hoe wetenschappers de evolutie van het heelal reconstrueren, die onvolledig zou zijn zonder de deelname van donkere materie. Deze conclusie werd in de jaren dertig bereikt door de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky. Hij bestudeerde clusters van sterrenstelsels en vroeg zich af waarom ze niet verstrooid waren. De massa van de zichtbare sterrenstelsels is immers niet voldoende om de cluster vast te houden. Daarom moet er een verborgen massa zijn. Later vond deze hypothese talrijke bevestigingen van de anomalieën in de rotatiesnelheden van sterrenstelsels: de delen van de schijven ver van het centrum vertragen nauwelijks, zoals ze zouden doen als ze alleen uit sterren bestonden.
Door zwaartekrachtlenzen kan indirect de aanwezigheid van verborgen massa worden gedetecteerd. Dit effect wordt gecreëerd door twee enorme melkwegstelsels achter elkaar. Licht van een ver sterrenstelsel wordt gebogen door het zwaartekrachtveld van een nabijgelegen sterrenstelsel en, net als in een lens, verschijnt het beeld ervan. Dit geeft enig inzicht in de donkere materie in sterrenstelsels die een enorme, onzichtbare halo om hen heen vormen. Met behulp van verschillende modellen berekenen wetenschappers de dichtheidsverdeling van donkere materie in de halo en doen op basis daarvan gissingen over de structuur.
Aan de linkerkant - halo van donkere materie in het sterrenstelsel NGC 4555.
Promotie video:
Samenstelling van donkere materie
Natuurkundigen zijn geneigd te geloven dat donkere materie bestaat uit voor ons onbekende deeltjes.
“Astrofysische waarnemingsmethoden zeggen niets over hun eigenschappen. Het is mogelijk dat ze op geen enkele manier interageren, behalve bij de zwaartekrachtmethode. Misschien zullen noch directe experimenten op aarde, noch waarnemingen in de ruimte ergens toe leiden. Dit moet altijd in gedachten worden gehouden”, zegt Dmitry Gorbunov, corresponderend lid van de Russische Academie van Wetenschappen, hoofdonderzoeker van het Instituut voor Nucleair Onderzoek van de Russische Academie van Wetenschappen bij RIA Novosti.
Kandidaten voor de rol van donkere deeltjes zijn onder meer ultralichte axions, zwak wisselwerkende deeltjes (WIMP) en steriele neutrino's, die de massa en oscillatie van zonne-neutrino's helpen verklaren.
“Het lichtste steriele neutrino is misschien wel een deeltje donkere materie. Het is niet stabiel, maar het leeft heel lang. In de Melkweg zouden dergelijke deeltjes moeten vervallen tot neutrino's en een foton. Ze draaien langzaam (10-3 keer de lichtsnelheid), dus in het fotonenspectrum wordt een piek in het röntgenbereik verwacht”, zegt de wetenschapper.
Volgens hem moet een goede spectrometer de ruimte in worden gestuurd om te proberen dergelijke gebeurtenissen te registreren.
Twee jaar geleden hebben Gorbunov en collega's een hypothese over een onstabiele component van donkere materie gemodelleerd om de discrepantie in de resultaten van het Planck Space Telescope-experiment, dat de CMB heeft gemeten, te verklaren. Misschien was dit een vergissing, of misschien een indicatie van een eigenschap van donkere materie. Wetenschappers hebben gesuggereerd dat de donkere substantie heterogeen van samenstelling is en dat een deel ervan tot op de dag van vandaag niet bewaard is gebleven.
Op zoek naar donkere deeltjes
Hoe donkere materiedeeltjes te vangen, is een van de belangrijkste vragen in de natuurkunde. Veel theoretici en onderzoekers proberen het te beantwoorden. De manier van waarnemen hangt af van het model, waarin alle eigenschappen van het hypothetische deeltje zijn vastgelegd. Als we aannemen dat donkere materie in evenwicht was in het plasma van het vroege heelal - en er waren ook gewone deeltjes - betekent dit dat het op de een of andere manier met hen in wisselwerking staat. Van alle bekende soorten interacties, behalve de zwaartekracht, is de zwakste de meest geschikte, die optreedt tijdens het bèta-verval van een atoomkern.
"Onder deze aanname blijft de vereiste hoeveelheid donkere materie achter nadat het primaire plasma is afgekoeld", legt Dmitry Gorbunov uit.
Op basis hiervan kunnen donkere deeltjes worden vernietigd door de vorming van een elektron en een positron. Ze zoeken naar sporen van deze vernietigingen, maar dit is in ieder geval indirect bewijs. Bovendien zijn de resultaten nogal wazig, deeltjes worden afgebogen, vliegen rond de Melkweg, vernietigen, verliezen energie en wat de aarde bereikt, is moeilijk te onderscheiden tegen de achtergrond van kosmische straling.
Ze proberen donkere deeltjes rechtstreeks in ondergrondse neutrinodetectoren waar te nemen. Onder de grond neemt de achtergrond van atmosferische deeltjes af, de detectorsubstantie koelt af en je moet wachten tot een donkere-materiedeeltje het raakt. Deze gebeurtenissen zijn op zichzelf zeldzaam, omdat het deeltje, als het samenwerkt, zwak is. De impact veroorzaakt excitatie van het atoom en een uitbarsting van energie, die wordt geregistreerd door de detector.
Tegelijkertijd is het onmogelijk om het volume van de detectorsubstantie oneindig te vergroten om de kans op het passeren van donkere deeltjes te vergroten zonder verlies van gevoeligheid. Bovendien interfereren neutrino's met het signaal. Om het af te sluiten, moet u mogelijk een volledig nieuwe detector bouwen om onder dit signaal te komen.
“Het is nodig om de detectie van de richting van de deeltjesinslag te gebruiken. Dit zal de achtergrond aanzienlijk onderdrukken, omdat neutrino's in de richting van de zon vliegen en donkere materie in andere richtingen zal toeslaan”, specificeert de wetenschapper.
De derde richting is het ontstaan van een donkere-materiedeeltje als gevolg van de botsing van gewone deeltjes op de LHC en andere versnellers. Voor een waarnemer zal het er bijvoorbeeld uitzien als een foton dat naar de zijkant is weggevlogen. Volgens de wet van behoud van momentum zou een deeltje ook in de andere richting moeten vliegen, maar dat is er niet. Dus ze is onzichtbaar.
Tot dusverre zijn geen van de manieren om donkere materiedeeltjes op te vangen succesvol geweest. Het is niet eens duidelijk welke van hen het meest veelbelovend is.
Samenstelling van het heelal / illustratie door RIA Novosti.
Tatiana Pichugina
