Donkere Materie. Bram Achterberg Sterrenkundig Instituut Universiteit Utrecht

Transcriptie

1 Donkere Materie Bram Achterberg Sterrenkundig Instituut Universiteit Utrecht

2 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

3 De geboorte van de moderne kosmologie Einstein, Friedmann & Hubble

4 Friedmann s dynamisch heelal (1924)

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

6 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!

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

8 De Kosmische Achtergrondstraling Penzias & Wilson

9 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.

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

11 Waterstofverbranding Neutronverval (12 minuten)

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

13

14 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

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

16 1 Mpc ~ lichtjaar De meest moderne bepaling van de Hubble-constante H 0 (Hubble Space Telescope Key Project, 2001)

17 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!

18 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.

19 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!

20 Heilige Graal II & III: de materiedichtheid en de samenstelling Kosmologische schaal: miljarden lichtjaar ~ cm Atomaire schaal: cm Quantum (Planck)schaal: cm

21 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)

22 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! Kosmologische constante Quantum-veld Verre supernovae & de Kosmische 0.70 (donkere energie) Achtergrondstraling

23 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

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

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

26 Meten van massa: lichte + donkere materie rotatiesnelheden in spiraalstelsel

27 Blauwverschoven straling Roodverschoven straling

28 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)

29 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

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

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

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

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

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

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

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

37 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.

38 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

39 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

40

41 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

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

43 roodverschoven nog verder roodverschoven

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

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

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

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

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

49 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

50 Het lokale Heelal U bent hier! 1 miljard lichtjaar

51 0 pc 25 M in 1 Mpc ~ lichtjaar 20 d an st 15 0 Af DF Galaxy Survey

52 De grote-schaal structuur

53 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

54 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)

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

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

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

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

59 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