Nieuwe link gevonden tussen donkere materie en klonterigheid heelal
Nieuw onderzoek van de universiteit van Toronto suggereert dat het zogenoemde klonterprobleem, dat draait om de onverwacht gelijkmatige verdeling van materie op grote schaal in het heelal, een teken kan zijn dat donkere materie bestaat uit hypothetische, ultralichte deeltjes die axionen worden genoemd.
Als dit wordt bevestigd door toekomstige telescoopwaarnemingen en laboratoriumexperimenten, zou het vinden van axion donkere materie een van de belangrijkste ontdekkingen van deze eeuw zijn. Aldus Dr. Keir Rogers, astrofysicus bij het Dunlap institute for Astronomy & Astrophysics aan de universiteit van Toronto.
Tegelijkertijd suggereren de resultaten een verklaring waarom het heelal minder klonterig is dan werd aangenomen, een waarneming die de afgelopen tien jaar steeds duidelijker is geworden en die de heersende theorie van het heelal momenteel onzeker maakt.
Een leidende theorie stelt dat donkere materie is gemaakt van axionen, in de kwantummechanica beschreven als wollig vanwege hun golfachtige gedrag.
In tegenstelling tot discrete puntachtige deeltjes, kunnen axionen golflengtes hebben die groter zijn dan hele sterrenstelsels.
Deze wolligheid beïnvloedt de vorming en verspreiding van donkere materie, wat mogelijk verklaart waarom het heelal minder klonterig is dan voorspeld in het heelal zonder axionen.
Dit gebruik aan klonterigheid is waargenomen in onderzoeken naar grote sterrenstelsels, wat de andere heersende theorie uitdaagt da donkere materie alleen bestaat uit zware, zwak op elkaar inwerkende subatomaire deeltjes die WIMP’s worden genoemd.
Ondanks experimenten zoals de Large Hadron Collider is er geen bewijs gevonden dat het bestaan van deze WIMP’s ondersteunt.
Voor het onderzoek analyseerden Rogers en collega’s waarnemingen van resterend licht van de Oerknal, bekend als de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB), verkregen uit de onderzoeken van de Europese Planck-missie, de Atacama Cosmology Telescope en de South Pole Telescope.
Ze vergeleken deze CMB-gegevens met clusteringsgegevens van sterrenstelsels van de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), die de posities van ongeveer een miljoen sterrenstelsels in het nabije heelal in kaart brengt.
Door de verdeling van sterrenstelsels te bestuderen, die het gedrag van donkere materie onder zwaartekracht weerspiegelt, maten ze fluctuaties in de hoeveelheid materie door het heelal en bevestigden ze de verminderde klonterigheid in vergelijking met de voorspellingen.
De onderzoekers voerden vervolgens computersimulaties uit om het verschijnen van restantlicht en de verdeling van sterrenstelsels in het heelal met lange golven van donkere materie te voorspellen.
Deze berekeningen kwamen overeen met CMB-gegevens van de Oerknal en clusteringsgegevens van sterrenstelsels, wat het idee ondersteunt dat zwakke axionen het klonterigheidsprobleem zouden kunnen verklaren.
Toekomstig onderzoek zal grootschalige onderzoeken omvatten om miljoenen sterrenstelsels in kaart te brengen en precieze metingen van de klonterigheid bieden, inclusief waarnemingen in het komende decennia met het Rubin Observatory.
De wetenschappers hopen hun theorie te vergelijken met directe waarnemingen van donkere materie door middel van zwaartekrachtlenzen, een effect waarbij de klonterigheid van donkere materie wordt gemeten aan de hand van de mate waarin het licht van verre sterrenstelsels wordt afgebogen, vergelijkbaar met een gigantisch vergrootglas.
Ze zijn ook van plan om te onderzoeken hoe sterrenstelsels gas de ruimte in stoten en hoe dit de verdeling van donkere materie beïnvloedt om zo hun resultaten verder te bevestigen.
Het begrijpen van de aard van donkere materie is een van de meest prangende fundamentele vragen en de sleutel tot het begrijpen van de oorsprong en toekomst van het heelal.
Momenteel hebben wetenschappers geen enkele theorie die tegelijkertijd de zwaartekracht en de kwantummechanica verklaart – een theorie van alles.
De meest populaire theorie van alles in de afgelopen decennia is de snaartheorie, die een ander niveau onder het kwantumniveau stelt, waar alles is gemaakt van snaarachtige excitaties van energie,
Volgens de auteurs van het onderzoek zou het detecteren van een zwak axiondeeltje een aanwijzing kunnen zijn dat de snaartheorie correct is.
Volgens Rogers hebben wetenschappers nu het gereedschap waarmee ze eindelijk iets experimenteels kunnen begrijpen over het eeuwenoude mysterie van donkere materie, zelfs in het komende decennium ofzo – en dat zou hints kunnen geven voor antwoorden op nog grotere theoretische vragen.
Het onderzoek is in de Journal of Cosmology and Astroparticle Physics gepubliceerd.
Artikel: Keir K. Rogers et al. 2023. Ultra-light axions and the S8 tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering. JCAP 06: 023; doi: 10.1088/1475-7516/2023/06/023
Eerste publicatie: 17 juni 2023
Bron: sci-news
