Donkere Materie

Donkere Materie
Bram Achterberg
Sterrenkundig Instituut
Universiteit Utrecht

Een paar feiten over ons heelal
• Het heelal zet uit (Hubble, 1924);
• Ons heelal is zo’n 14 miljard jaar oud;
• Ons heelal was vroeger veel heter, , en had
een grote dichtheid;
• De dichtheid van het heelal wordt
grotendeels geleverd door ‘donkere‘
donkere’
componenten:
- Donkere materie
- Donkere energie

De geboorte van de moderne kosmologie
Einstein, Friedmann
& Hubble

Friedmann’s dynamisch heelal (1924)

Centimeters (fysische afstand)
Hubble-expansie in het “Mieren-universum”
Uitrekken met een factor 2
Mee-rekkende coördinaten

Waarom geloven sterrenkundigen in het
Oerknalmodel?
1. We zien de expansie van het Heelal
• Hubble’s wet voor de roodverschuiving
2. We zien de overblijfselen van de vroege
evolutiefases van het Heelal:
• De Kosmische Achtergrondstraling
• De kernfusie-producten van de
Voorwereldlijke Nucleosynthese
Overblijfselen van het jonge heelal bij
hoge dichtheid en een hoge temperatuur!

Roodverschuiving, blauwverschuiving
en de beweging van een lichtbron
blauwverschuiving
roodverschuiving
Bron Waargenomen golflengte v.h. licht Spectrum

De Kosmische Achtergrondstraling
Penzias & Wilson

De Kosmische Achtergrondstraling:
fotonen overgebleven van het moment dat het Heelal
doorzichtig werd
T > 4500 K: elektronen bewegen vrij;
fotonen worden sterk vertrooid;
het Heelal is ondoorzichtig.
T ~ 4500 K: Waterstof- en Heliumkernen vangen de losse
elektronen; Het heelal wordt transparant.
T < 4500 K: Het Heelal is geheel doorzichtig; De
overgebleven fotonen koelen steeds verder
af: de roodverschuiving.

Spectrum achtergrondstraling (COBE)
Intensiteit (10 -7 W / m 2 sr cm -1 )
T ≈ 2.73±
0.02 Kelvin
Golven per centimeter

Waterstofverbranding
Neutronverval
(12 minuten)

Abundantie van de Elementen
(t.o.v. waterstof)
Materiedichtheid
(t.o.v. fotonen)

De “Heilige Gralen” van de Kosmologie
1. De waarde van Hubble’ constante.
- De leeftijd van het Heelal
2. De massadichtheid van het Heelal
- De toekomst van het Heelal:
stort het weer in, of blijft het expanderen
3. De samenstelling van het Heelal
-Fundamentele fysica

Heilige Graal I: het Hubble-diagram
Vluchtsnelheid V (in km/s)
Afstand D (in Mega-parsec)

1 Mpc ~ 3.000.0000 lichtjaar
De meest moderne
bepaling van de
Hubble-constante H 0
(Hubble Space Telescope Key
Project, 2001)

T
O
E
K
O
M
S
T
Mogelijke modellen van een expanderend Heelal
Vertragende expansie
Constante
expansiesnelheid
Versnellende expansie
N
U
V
R
O
E
G
E
R
{
Een heelal met een vertragende expansie bereikt de huidige
afmeting in de minste tijd. Het expandeerde vroeger immers
sneller!

T
O
E
K
O
M
S
T
Mogelijke modellen van een expanderend Heelal
Vertragende expansie
Constante
expansiesnelheid
Versnellende expansie
N
U
V
R
O
E
G
E
R
Een heelal dat met een constante expansiesnelheid
doet er langer over.

T
O
E
K
O
M
S
T
Mogelijke modellen van een expanderend Heelal
Vertragende expansie
Constante
expansiesnelheid
Versnellende expansie
N
U
V
R
O
E
G
E
R
Een heelal waarin de expansie continu
versnelt is –bij gegeven afmeting- het oudst.
Vroeger expandeerde het immers langzamer!
De expansie kan alleen maar versnellen als er een soort
afstotende kracht aanwezig is: de zwaartekracht van alle
materie in het heelal remt de expansie alleen maar!

Heilige Graal II & III:
de materiedichtheid
en de samenstelling
Kosmologische schaal:
miljarden lichtjaar ~ 10 28 cm
Atomaire schaal:
10 -14 cm
Quantum (Planck)schaal:
10 -43 cm

Basiseigenschappen van ons Heelal
1. Ons heelal heeft een vlakke geometrie;
2. Ons heelal is 14,2 miljard jaar oud;
3. De massadichtheid van ons heelal is als volgt
samengesteld:
- 5% gewone materie (sterren, gas, planeten…)
- 25% donkere materie (elementaire deeltjes?)
- 70% donkere energie (eigenschap van lege ruimte)

Bijdragen aan de dichtheid van het heelal
Soort Samenstelling Bewijs Bijdrage
Zichtbare
materie
Baryonische
donkere materie
Exotische
donkere materie
Waterstof en
Helium in
sterren
Bruine
Dwergen?
Waarnemingen met
telescopen: het
tellen van fotonen!
Berekeningen
nucleosynthese
in Oerknal
????? Gravitatiewerking:
snelheidsmetingen!
0.01
0.04
0.25
Kosmologische
constante
Quantum-veld
Verre supernovae &
de Kosmische
0.70
(donkere energie)
Achtergrondstraling

Meten van de
expansiegeschiedenis
van ons heelal:
verre supernovae
70 % DONKERE
ENERGIE
25 % DONKERE
MATERIE
5 % GEWONE MATERIE
(1% licht, 4% donker)
Meten van de
lichtopbrengst
van sterren
Meten van de bewegingssnelheid
van sterren in sterrenstelsels,
en van sterrenstelsels in Clusters

Meten van massa: lichtgevende materie
25 ton materie per
Watt lichtopbrengst
(voornamelijk waterstof)

Kernfusiezone
(25% van de massa)
Stralingszone
Convectie-zone
ZON

Meten van massa: lichte + donkere materie
rotatiesnelheden in spiraalstelsel

Blauwverschoven straling
Roodverschoven straling

Rotatie-curve van een Spiraalstelsel
Totaal +
gegevens
Rotatiesnelheid (in km/s)
Bijdrage van de
donkere materie
Bijdrage van de
lichtgevende materie
Afstand tot centrum sterrenstelsel (in kpc)

Fritz Zwicky & De Coma Cluster
Zwicky merkte al in 1933 op dat de
sterrenstelsels in de Coma Cluster
te snel bewegen
V
GM
2
=
r
V = bewegingsnelheid
M = massa Cluster
G = Gravitatieconstante
r = straal Cluster

Conclusies:
• Maar 4% van alle materie geeft
licht
• Samenstelling van de donkere
materie is onbekend:
– Geen waterstofatomen
– Geen zwarte gaten of donkere sterren

Zelfs koud waterstofgas is “zichtbaar”!
Sterrenstelsel
(zichtbaar licht)
Wolk Waterstofgas
(radiostraling)

Wat is het dan wel?
Meest waarschijnlijke antwoord:
WIMPS
Weakly Interacting Massive Particles

Praktijkvoorbeeld: Zonne-neutrino’s
en de Zwakke Wisselwerking
Per seconde vliegen er 5 biljoen neutrino’s door de hand

De fundamentele deeltjes van het Standaardmodel
Bouwstenen van de
zware kerndeeltjes
De overbrengers
van de fundamentele
natuurkrachten
Lichte deeltjes

De fundamentele deeltjes van het Standaardmodel
Steeds zwaarder
Familie
I
Familie
II
Familie
III

Donkere Materie vereist deeltjes die
niet in het Standaardmodel passen!
• Supersymmetrische deeltjestheorie?
• Axionen?
• Andere hypothetische deeltjes?
HET STANDAARDMODEL IS INCOMPLEET!

Donkere energie is:
Wat is donkere energie?
(en wat is het niet?)
• Een eigenschap van lege ruimte;
• Homogeen verdeeld over het heelal;
• Begrepen in principe, onbegrepen in detail.
Donkere energie is niet:
• In de vorm van deeltjes;
• Hetzelfde als donkere materie;
• Een vorm van anti-materie of een soort anti-zwaartekracht.

Verschillen Donkere Materie en Donkere Energie
Donkere materie….
Bestaat uit deeltjes
Donkere Energie
Is een eigenschap van lege ruimte
Is inhomogeen verdeeld: clustering
onder invloed van de zwaartekracht
Heeft een nog onbekende
samenstelling
Is homogeen verdeeld
Is in principe begrepen, maar
de details zijn nog onbekend
Remt door zijn zwaartekracht
de expansie van het heelal
Versnelt de expansie van het heelal

Donkere Energie en de Kosmologische Constante
• De kosmologische constante werd in 1925 door Einstein
voorgesteld als “extra” term in zijn Algemene Relativiteitstheorie
• In 1923 weer door Einstein verworpen in reactie op de heelalmodellen
van Willem de Sitter
• Rond 1980 weer in de mode in Inflatie-theorie voor het vroege
heelal (Guth & Linde)
• Na 1998 noodzakelijk als verklaring van de waarnemingen voor het
huidig heelal: verre supernovae & achtergrondstraling

Donkere Energie in het huidig Heelal
Aanwijzingen:
1. De helderheid-roodverschuiving relatie van
verre supernovae van Type Ia;
2. De eigenschappen van temperatuurswisselingen
in de Kosmische Achtergrondstraling

Type 1A Supernovae
lichtzwak
magnitude m
helder
dichtbij
Meer roodverschuiving =
verder weg =
langer geleden
roodverschuiving z
ver weg

oodverschoven
nog verder
roodverschoven

Leeftijd
~ 14 miljard jaar
nu
verre
supernovae
Versnelde
expansie
Vertraagde
expansie
schaalfactor
Expanderend Friedmann-Lemaitre Heelal

Constant
afremmende
expansie
Heelal met eerst een afremmende expansie,
gevolgd door een versnelde expansie
Verleden Heden Toekomst
Nu
Oerknal
Nu
Oerknal

Zonder donkere energie
Altijd vertraging!
Het Friedmann-Lemaitre Heelal
vertraging versnelling
Leeftijd (in miljarden jaren)
Schaalfactor van het Heelal

Aanvullend bewijs:
Kosmische Achtergrondstraling
en de
Grote-Schaal Structuur
2DF Survey
WMAP

Beste opname van de hemel in de gloed van de
Kosmische Achtergrondstraling
(Wilkinson Microwave Anisotropy Probe, 2003)

DE GEOMETRIE VAN HET HEELAL
OPEN
Temperatuurswisselingen
op een schaal < 1 graad
VLAK
Temperatuurswisselingen
op een schaal ~1 graad
GESLOTEN
Temperatuurswisselingen
op een schaal > 1 graad

Het lokale
Heelal
U bent hier!
1 miljard lichtjaar

2500
2DF Galaxy Survey
500
1000
1500
2000
Afstand in Mpc
1 Mpc ~ 3.000.000 lichtjaar

De grote-schaal structuur

De geometische eigenschappen van het Heelal
Gesloten Heelal
Hoge dichtheid:
Stort ooit weer in!
Open Heelal
Lage dichtheid
Blijft altijd expanderen!
Vlak Heelal
Grensgeval met een
speciale dichtheid

Geometrie en de evolutie van ons Heelal
Materie en Donkere Energie:
effect op de expansie van het Heelal
Schaalfactor van het Heelal
vlak, met
donkere
energie
gesloten
open
vlak
Nu
Leeftijd (in miljarden jaren)

De samenstelling van het heelal verandert!
3 miljard jaar na de Oerknal (11 miljard jaar in het verleden)
0.16
0.04
Donkere Materie
Gewone materie
Donkere Energie
0.80

De samenstelling van het heelal verandert!
7 miljard jaar na de Oerknal (7 miljard jaar in het verleden)
0.22
Donkere Materie
Gewone materie
0.13
0.65
Donkere Energie

De samenstelling van het heelal verandert!
14 miljard jaar na Oerknal (nu)
0.25
Donkere Materie
0.05
Gewone materie
Donkere Energie
0.70

De samenstelling van het heelal verandert!
25 miljard jaar (11 miljard jaar in de toekomst)
0.05 0.01
Donkere Materie
Gewone materie
Donkere Energie
0.94

Conclusies
• De meeste massa in het heelal is donker
• De samenstelling van de donkere materie
is nog onbekend
• Er bestaat ook donkere energie
• De donkere energie versnelt de expansie
van het heelal