Genadeslag voor donkere materie?
Wie dit topic doorleest komt keer op keer negatieve resultaten tegen in de zoektocht naar de aard van, en het bewijs voor het bestaan van de donkere materie. Van de hypothetische WIMP nog geen glimp, en ook andere deeltjeskandidaten blijven tot op heden aan de waarneming onttrokken.
Het afgelopen jaar is daar weinig verandering in gekomen. Een spike in de meetgegevens van de Atlas en CMS detectoren bij het Cern vorig jaar december die - heel misschien - een hint zou kunnen bevatten voor WIMPS of andere nieuwe deeltjes en voor aardig wat opwinding zorgde bleek, zoals in augustus bekend werd gemaakt, in de uitgebreider dataset tot ruis gereduceerd.
Van hints voor nieuwe fysica (bijvoorbeeld de hypothetische supersymmetrische deeltjes, die een verklaring zouden kunnen bieden voor donkere materie) is nog niets gebleken. Geen resultaat kan ook veelzeggend zijn. Waarschijnlijk is het nog te vroeg om het zo te stellen, maar het begint er op te lijken dat er binnen het energiebereik van de Large Hadron Collider niets nieuws te detecteren valt.
De lichte steriele neutrino, een hypothetisch deeltje dat naast de drie bekende neutrino smaakjes (Elektron, Muon en Tau) zou kunnen bestaan en een fors grotere massa zou hebben (in de orde van een E
v) zou een alternatieve verklaring voor het gemis aan waarneembare materie kunnen bieden. Helaas is ook dit deeltje, dat in principe door het Ice Cube experiment gevonden zou moeten kunnen worden, niet aangetroffen. Het Ice Cube team kwam enkele weken geleden tot de conclusie dat het voor 99% zeker is dat dit deeltje een hersenschim zal blijven. Zie ook
dit artikeltje in Astroblogs.
Eerste aanleiding voor het vermoeden van donkere materie:
Het probleem begon duidelijk te worden toen men eind 70er jaren in staat was de omloopsnelheid van sterren rond het centrum van sterrenstelsels te meten. In principe zou die omloopduur afhankelijk moeten zijn van de afstand tot het massacentrum van het stelsel, en wel volgens de bekende Keplerwet dat de kwadraten van de omloopduur proportioneel zijn aan de derde macht van de afstand.
En als je daar even aan rekent, betekent dit ook dat hoe verder een object zich van het massacentrum bevindt, hoe trager de omloopsnelheid moet zijn. De Aarde heeft een baansnelheid van ruwweg 30 km/s rond de Zon, en Jupiter, ongeveer 5 keer zo ver weg, heeft een baansnelheid van ongeveer 13 km/s. Zou Jupiter dezelfde baansnelheid hebben als die van de Aarde, dan zou hij ons zonnestelsel uitvliegen. Hetzelfde gaat in principe op voor sterrenstelsels; sterren in de buitengebieden met een te hoge baansnelheid vliegen het sterrenstelsel uit.
En daar is een probleem want de gemeten baansnelheid blijft - onafhankelijk van de afstand tot het centrum van het sterrenstelsel - nagenoeg gelijk:
- rotatiecurve 2192 keer bekeken
Bron: M. Roberts, National Academies Press.
Tot ongeveer 2/3 van de in zichtbaar licht waarneembare diameter van het stelsel zijn de feitelijk waarneming en de baansnelheid berekend op basis van de verdeling van de zichtbare massa (de gestippelde curve in de afbeelding) redelijk met elkaar in overeenstemming, maar daarbuiten vermindert de omloopsnelheid nauwelijks. Sterren trekken daar baantjes met een zodanig hoge snelheid, dat ze al lang uit het stelsel geslingerd zouden moeten zijn. Dat doet vermoeden dat er een flinke hoeveelheid massa buiten de hier zichtbare schijf aanwezig moet zijn, onzichtbare extra massa (donkere materie) die de sterren in de buitengebieden in hun omloopbaan houdt. Ga je er aan rekenen, dan blijkt dat die onzichtbare massa ruwweg 5 keer zo zwaar is als de zichtbare massa.
Het rotatiegedrag van sterrenstelsels was zo de eerste aanleiding een forse hoeveelheid niet middels elektromagnetische straling te detecteren materie te veronderstellen.
Nieuw onderzoek:
Op basis van een tienjarig onderzoek komen nu de astronomen Stacy McGaugh, Federico Lelli en James Schombert tot een andere en vrij opzienbarende conclusie: De schattingen van de massa's en de massaverdeling van sterrenstelsels tot op heden gaan waarschijnlijk gebukt onder meetfouten.
Op basis van een onderzoek aan 30 jaar metingen van een verscheidenheid aan instrumenten aan een groot aantal sterrenstelsels van verschillende typen (klein, groot, elliptisch, spiraalvormig et cetera) in infrarood licht komen de astronomen onder auspiciën van de Case Western Reserve University tot de volgende conclusie:
De baansnelheid houdt zich keurig aan de wetten van Kepler!
Punt is volgens het team, dat de geschatte massa, en de verdeling daarvan binnen de sterrenstelsels in zichtbaar licht sterk afwijkt van de volgens de wetenschappers veel nauwkeuriger schattingen van de massa(verdeling) indien alleen in het nabije infrarood gemeten wordt.
M.a.w. het rotatiegedrag van sterrenstelsels valt volgens hun prima te verklaren zonder dat daar een aanname van extra, onzichtbare, massa (a.k.a. 'donkere materie') voor nodig is. In een paper dat geaccepteerd is voor publicatie in Physical Review Letters, wordt dit onderzoek beschreven. In de bijlage de preprint ervan.
Genadeslag?
Is dit nu de doodsteek voor de donkere materie? Nee, want er zijn andere waarnemingen die op een overschot aan onzichtbare massa in het heelal wijzen, zoals de gravitational lensing, het afbuigen van licht door grote massa's. Die afbuiging is groter dan verwacht en wordt tot op heden voornamelijk verklaard door de massa van onzichtbare materie.
- dark matter 2192 keer bekeken
Verdeling donkere materie in sterrenclusters op grond van gravitational lensing. Bron Esa/Nasa/Hubble
Vorige maand nog werd er een opmerkelijke observatie gedaan aan een sterrenstelsel 'Dragonfly 44' dat een massa ongeveer gelijk aan die van onze Melkweg heeft, maar slechts een procent van het aantal sterren. Dat stelsel bestaat 'dus' voor het overgrote deel uit 'donkere' materie. Om ondermeer deze redenen stelt het team van astronomen dan ook, dat het geen verklaring kan bieden voor de waarnemingen, en presenteert de bevindingen louter als emperisch verband.
Anderen gaan een stap verder:
Zo stelt David Merritt, professor of physics and astronomy aan het Rochester Institute of Technology:
The relation discovered by McGaugh et al. is a serious, and possibly fatal, challenge to this hypothesis, since it shows that rotation curves are precisely determined by the distribution of the normal matter alone. Nothing in the standard cosmological model predicts this, and it is almost impossible to imagine how that model could be modified to explain it, without discarding the dark matter hypothesis completely.
Arthur Kosowsky, professor of physics and astronomy aan de Universiteit van Pittsburgh stelt:
But if there is a single observation which keeps me awake at night worrying that we might have something essentially wrong, this is it.
Meer lezen:
klik, klik.
Bijlage:
(Niet verkeerd bedoeld.)