Met al ons begrip van de natuurkundige wetten en het succes van het standaardmodel en de algemene relativiteitstheorie, zijn er een aantal waarneembare verschijnselen in het universum die niet verklaard kunnen worden. Het universum zit vol mysteries, van stervorming tot hoogenergetische kosmische straling. Hoewel we langzamerhand ruimte voor onszelf ontdekken, weten we nog niet alles. We weten bijvoorbeeld dat donkere materie bestaat, maar we weten niet wat de eigenschappen zijn. Betekent dit dat we alle onbekende effecten moeten toeschrijven aan de manifestaties van donkere materie?
Er zijn net zoveel mysteries over donkere materie als er bewijs is van het bestaan ervan. Maar donkere materie de schuld geven van alle mysterieuze manifestaties van de ruimte is niet alleen kortzichtig, maar ook verkeerd. Dit is wat er gebeurt als wetenschappers geen goede ideeën meer hebben.
Twee heldere grote sterrenstelsels in het centrum van de Comacluster, elk meer dan een miljoen lichtjaar groot. De sterrenstelsels aan de rand duiden op het bestaan van een grote halo van donkere materie door de hele cluster.
Donkere materie is overal in het universum. Het werd voor het eerst geraadpleegd in de jaren dertig om de snelle beweging van individuele sterrenstelsels in clusters van sterrenstelsels te verklaren. Dit gebeurde omdat alle gewone materie - materie die bestaat uit protonen, neutronen en elektronen - niet voldoende is om de totale hoeveelheid zwaartekracht te verklaren. Dit omvat sterren, planeten, gas, stof, interstellair en intergalactisch plasma, zwarte gaten en al het andere dat we kunnen meten. De bewijzen die donkere materie ondersteunen, zijn talrijk en overtuigend, zoals opgemerkt door natuurkundige Ethan Siegel.
Donkere materie is nodig om uit te leggen:
- rotatie-eigenschappen van individuele sterrenstelsels, - de vorming van sterrenstelsels van verschillende grootte, van gigantische elliptische tot - sterrenstelsels ter grootte van de Melkweg en kleine dwergstelsels bij ons in de buurt, Promotie video:
- interacties tussen paren sterrenstelsels, - eigenschappen van clusters van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels op grote schaal, - ruimtevaartnetwerk, inclusief de draadstructuur, - spectrum van fluctuaties van de kosmische microgolfachtergrond, - de waargenomen effecten van zwaartekrachtlenzen van verre massa's, - de waargenomen scheiding tussen de effecten van zwaartekracht en de aanwezigheid van gewone materie bij botsingen van clusters van sterrenstelsels.
Zowel op kleine schaal van individuele sterrenstelsels als op schaal van het hele heelal is donkere materie nodig.
Als we dit allemaal in de context van de rest van de kosmologie plaatsen, geloven we dat elk sterrenstelsel, inclusief het onze, een massieve, diffuse halo van donkere materie eromheen bevat. In tegenstelling tot sterren, gas en stof in ons melkwegstelsel, die zich meestal in de schijf bevinden, zou de halo van donkere materie bolvormig moeten zijn, omdat donkere materie, in tegenstelling tot gewone (atoomgebaseerde) materie, niet 'plat' wordt wanneer je erin knijpt. … Ook zou donkere materie dichter in de buurt van het galactische centrum moeten zijn en zich tien keer verder uitstrekken dan de sterren van de melkweg zelf. Ten slotte zouden er in elke halo kleine brokjes donkere materie moeten zijn.
Om de volledige set van waarnemingen hierboven opgesomd te reproduceren, en ook andere, zou donkere materie geen andere eigenschappen moeten hebben dan de volgende: het zou een massa moeten hebben; het moet gravitationeel in wisselwerking staan; het moet langzaam bewegen ten opzichte van de lichtsnelheid; het mag geen sterke wisselwerking hebben via andere krachten. Alle. Alle andere interacties zijn zeer beperkt, maar niet uitgesloten.
Waarom dan, telkens wanneer een astrofysische waarneming wordt gedaan met een overmaat van een gewoon deeltje van een bepaald type - fotonen, positronen, antiprotonen - praten mensen allereerst over donkere materie?
Eerder deze week publiceerde een team van wetenschappers die gammastraalbronnen rond pulsars bestudeerden hun bevindingen in Science. In hun werk probeerden ze beter te begrijpen waar het overschot aan positronen vandaan kwam. Positronen, antipoden van elektronen, worden meestal op verschillende manieren geboren: wanneer gewone deeltjes worden versneld tot voldoende hoge energieën, wanneer ze in botsing komen met andere materiedeeltjes, en door de productie van elektron-positronparen volgens Einsteins formule E = mc2. We creëren zulke paren in de loop van fysische experimenten en kunnen de creatie van een positron astrofysisch observeren, zowel direct, in de zoektocht naar kosmische straling, als indirect, in de zoektocht naar de energiesignatuur van elektron-positron annihilatie.
Deze astrofysische positron-signaturen komen voor nabij het galactische centrum, gericht op puntbronnen zoals microquasars en pulsars in een mysterieus gebied van onze melkweg dat bekend staat als de Grote Annihilator, en in een deel van een diffuse achtergrond waarvan de oorsprong onbekend is. Een ding is zeker: we zien meer positronen dan we verwachten. En dit is al lang bekend. PAMELA heeft het gemeten, Fermi heeft het gemeten, AMS aan boord van het ISS heeft het gemeten. Meer recentelijk heeft het HAWC-observatorium gammastraling met extreem hoge energie gemeten, TeV-niveau, en aangetoond dat het zeer versnelde deeltjes zijn die afkomstig zijn van pulsars op middelhoog niveau. Maar helaas is dit niet voldoende om het waargenomen overschot aan positronen te verklaren.
Om de een of andere reden, bij elke meting van het overschot aan positronen, bij elke waarneming van een astrofysische bron die het niet verklaart, vloeit het verhaal over in 'we kunnen het niet verklaren, dus donkere materie is de schuld'. En dit is slecht omdat er veel mogelijke astrofysische bronnen zijn die niets exotisch vereisen, bijvoorbeeld:
- secundaire productie van positronen en gammastralen door andere deeltjes, - microquasars of iets anders dat zwarte gaten voedt, - zeer jonge of zeer oude pulsars, magnetars, - supernovaresten.
Deze lijst is niet definitief, maar geeft een paar voorbeelden van wat dit overschot zou kunnen creëren.
Veel mensen die op dit gebied werken, kiezen voor donkere materie, omdat het een doorbraak zou zijn als donkere materie vernietigt en gammastralen en deeltjes van gewone materie produceert. Dit zou een droomscenario zijn voor astrofysici die jagen op donkere materie. Maar wishful thinking heeft nooit tot grote ontdekkingen geleid. En hoewel donkere materie meestal wordt gepresenteerd als een verklaring voor het positronoverschot, is het niet waarschijnlijker dan dat de buitenaardse wezens de ster Tabby uitleggen.
Nadat hij Brenda Dingus, hoofdonderzoeker van HAWC, om uitleg had gevraagd, ontving Ethan Siegel de volgende opmerking:
“Er zijn ongetwijfeld andere bronnen van positronen. Maar positronen dwalen niet ver af van hun bronnen, en er zijn niet veel bronnen in de buurt. De twee beste kandidaten zijn ontdekt door HAWC en we weten nu hoeveel positronen ze produceren. We weten ook hoe deze positronen uit hun bronnen diffunderen; langzamer dan verwacht. Hoewel we de bronnen van positronen in de buurt hebben bevestigd, hebben we ontdekt dat positronen erg traag weggaan van hun plaats van oorsprong en daarom geen overmaat aan positronen op aarde creëren. Door een mogelijkheid te elimineren, maken we andere mogelijkheden waarschijnlijker. Dit betekent echter niet dat positronen MOETEN afkomstig zijn van donkere materie. We menen het niet."
Het is opmerkelijk dat de positronen in de HAWC-gegevens slechts 1% uitmaken van de positronen die in andere experimenten worden gezien, wat duidt op iets anders als de held van de dag. Wanneer er een observatie wordt gedaan die in strijd is met onze traditionele ideeën, zoals bij een overschot aan astrofysische positronen, mag het niet worden uitgesloten dat er donkere materie bij betrokken is. Maar het is veel waarschijnlijker dat andere astrofysische processen deze effecten verklaren. Wanneer een mysterie in de wetenschap verschijnt, wil iedereen een revolutie, maar vaker wel dan niet krijgen ze iets gewoons.
Ilya Khel