Alles wat we ooit in het heelal hebben waargenomen, van materie tot straling, kan worden afgebroken tot de kleinste componenten. Alles in deze wereld bestaat uit atomen, die zijn samengesteld uit nucleonen en elektronen, en nucleonen zijn onderverdeeld in quarks en gluonen. Licht bestaat ook uit deeltjes: fotonen. Zelfs gravitatiegolven bestaan in theorie uit gravitonen: deeltjes die we op een dag, als we geluk hebben, vinden en repareren. Maar hoe zit het met donkere materie? Indirect bewijs van het bestaan ervan kan niet worden ontkend. Maar moet het ook uit deeltjes bestaan?
We zijn gewend te denken dat donkere materie uit deeltjes bestaat, en we proberen ze hopeloos te detecteren. Maar wat als we op de verkeerde plaats zoeken?
Als donkere energie kan worden geïnterpreteerd als energie die inherent is aan het weefsel van de ruimte, zou het dan kunnen zijn dat “donkere materie” ook een interne functie is van de ruimte zelf - nauw of op afstand gerelateerd aan donkere energie? En dat in plaats van donkere materie, de zwaartekrachtseffecten die onze waarnemingen zouden kunnen verklaren, meer te wijten zijn aan "donkere massa"?
Welnu, speciaal voor jou heeft natuurkundige Ethan Siegel onze theoretische benaderingen en mogelijke scenario's uiteengezet.
Een van de meest interessante kenmerken van het universum is de één-op-één-relatie tussen wat er in het universum is en hoe de snelheid van expansie in de loop van de tijd verandert. Door veel zorgvuldige metingen van vele ongelijksoortige bronnen - sterren, melkwegstelsels, supernovae, de kosmische microgolfachtergrond en de grootschalige structuren van het universum - zijn we in staat geweest om beide te meten en te bepalen waaruit het universum is gemaakt. In wezen zijn er veel verschillende ideeën over waaruit ons universum kan bestaan, en ze hebben allemaal verschillende effecten op kosmische expansie.
Dankzij de verkregen gegevens weten we nu dat het universum bestaat uit het volgende:
- 68% donkere energie, die zelfs bij uitbreiding van de ruimte op een constante energiedichtheid blijft;
Promotie video:
- 27% van de donkere materie, die zwaartekracht vertoont, vervaagt naarmate het volume toeneemt en laat zich niet meten met een andere bekende kracht;
- 4,9% van de gewone materie, die al zijn krachten manifesteert, vervaagt naarmate het volume toeneemt, knoopt in klonten en bestaat uit deeltjes;
- 0,1% neutrino's, die zwaartekracht- en elektrozwakke interacties vertonen, bestaan uit deeltjes en kloppen alleen samen als ze voldoende langzamer worden om zich als materie te gedragen in plaats van als straling;
- 0,01% van de fotonen, die gravitatie- en elektromagnetische invloeden vertonen, gedragen zich als straling en vervagen zowel bij toenemend volume als bij uitrekking van golflengten.
Na verloop van tijd worden deze verschillende componenten relatief meer of minder belangrijk, en dit percentage geeft weer waar het universum vandaag de dag uit bestaat.
Donkere energie heeft, zoals volgt uit onze beste metingen, dezelfde eigenschappen op elk punt in de ruimte, in alle richtingen van de ruimte en in alle episodes van onze kosmische geschiedenis. Met andere woorden, donkere energie is zowel homogeen als isotroop: het is overal en altijd hetzelfde. Voor zover we kunnen nagaan, heeft donkere energie geen deeltjes nodig; het kan gemakkelijk een eigenschap zijn die inherent is aan het weefsel van de ruimte.
Maar donkere materie is fundamenteel anders.
Om de structuur die we in het heelal zien ontstaan, vooral op grote kosmische schaal, moet donkere materie niet alleen bestaan, maar ook samenkomen. Het kan niet overal in de ruimte dezelfde dichtheid hebben; het zou eerder geconcentreerd moeten zijn in gebieden met een hogere dichtheid en zou minder dicht moeten zijn, of helemaal afwezig moeten zijn in gebieden met een lagere dichtheid. We kunnen op basis van waarnemingen zien hoeveel van de totale materie zich in verschillende delen van de ruimte bevindt. De drie belangrijkste zijn:
Krachtenspectrum van materie
Breng de materie in het universum in kaart, kijk op welke schaal het overeenkomt met sterrenstelsels - dat wil zeggen, hoe waarschijnlijk het is dat je een ander sterrenstelsel zult vinden op een bepaalde afstand van het sterrenstelsel waarmee je begint - en bestudeer het resultaat. Als het universum uit een homogene substantie zou bestaan, zou de structuur uitgesmeerd zijn. Als er donkere materie in het universum zou zijn die niet vroeg genoeg verzamelde, zou de structuur op kleine schaal worden vernietigd. Het vermogensspectrum van energie vertelt ons dat ongeveer 85% van de materie in het heelal wordt vertegenwoordigd door donkere materie, die ernstig verschilt van protonen, neutronen en elektronen, en deze donkere materie werd koud geboren, of zijn kinetische energie is vergelijkbaar met rustmassa.
Zwaartekrachtlenzen
Bekijk het enorme object. Laten we zeggen een quasar, melkwegstelsel of clusters van sterrenstelsels. Zie hoe achtergrondlicht wordt vervormd door de aanwezigheid van een object. Omdat we de wetten van de zwaartekracht begrijpen die worden beheerst door Einsteins algemene relativiteitstheorie, stelt de manier waarop licht wordt gebogen ons in staat om te bepalen hoeveel massa aanwezig is in elk object. Met andere methoden kunnen we de hoeveelheid massa bepalen die aanwezig is in gewone materie: sterren, gas, stof, zwarte gaten, plasma, enz. En opnieuw ontdekken we dat 85% van de materie wordt vertegenwoordigd door donkere materie. Bovendien is het diffuser en troebeler verdeeld dan gewone materie. Dit wordt bevestigd door zwakke en sterke lenswerking.
Kosmische microgolfachtergrond
Als je naar de resterende gloed van de oerknalstraling kijkt, zul je zien dat deze ongeveer gelijkmatig is: 2,725 K in alle richtingen. Maar als je beter kijkt, zie je dat er kleine defecten worden waargenomen op schalen van tientallen tot honderden microkelvin. Ze vertellen ons een paar belangrijke dingen, waaronder de energiedichtheden van gewone materie, donkere materie en donkere energie, maar het belangrijkste is dat ze ons vertellen hoe homogeen het universum was toen het nog maar 0,003% van zijn huidige leeftijd was. Het antwoord is dat het dichtste gebied slechts 0,01% dichter was dan het minst dichte gebied. Met andere woorden, donkere materie begon in een homogene staat en klonterde samen met het verstrijken van de tijd.
Alles bij elkaar genomen, komen we tot de conclusie dat donkere materie zich moet gedragen als een vloeistof die het universum vult. Dit fluïdum heeft een verwaarloosbare druk en viscositeit, reageert op stralingsdruk, botst niet met fotonen of gewone materie, is koud en niet-relativistisch geboren en vormt zich in de loop van de tijd onder invloed van zijn eigen zwaartekracht. Het bepaalt de vorming van structuren in het heelal op de grootste schaal. Het is zeer heterogeen en de omvang van zijn heterogeniteit neemt in de loop van de tijd toe.
Hier is wat we er op grote schaal over kunnen zeggen, aangezien ze betrekking hebben op observaties. Op kleine schaal kunnen we alleen maar aannemen, niet helemaal zeker, dat donkere materie is samengesteld uit deeltjes met eigenschappen die ervoor zorgen dat het zich op grote schaal zo gedraagt. De reden dat we dit aannemen is omdat het universum, voor zover we weten, in de kern uit deeltjes bestaat, dat is alles. Als je een stof bent, als je een massa hebt, een kwantumanaloog, dan moet je onvermijdelijk uit deeltjes op een bepaald niveau bestaan. Maar totdat we dit deeltje hebben gevonden, hebben we niet het recht andere mogelijkheden uit te sluiten: bijvoorbeeld dat dit een soort vloeistofveld is dat niet uit deeltjes bestaat, maar de ruimte-tijd beïnvloedt zoals deeltjes dat zouden moeten doen.
Daarom is het zo belangrijk om te proberen donkere materie direct te detecteren. Het is onmogelijk om het fundamentele bestanddeel van donkere materie in theorie te bevestigen of te ontkennen, alleen in de praktijk, ondersteund door waarnemingen. Blijkbaar heeft donkere materie niets te maken met donkere energie.
Is het gemaakt van deeltjes? Totdat we ze vinden, kunnen we alleen maar raden. Het universum manifesteert zichzelf als kwantum in de natuur als het gaat om elke andere vorm van materie, dus het is redelijk om aan te nemen dat donkere materie hetzelfde zou zijn.
Ilya Khel
