Ruimte

9 van de grootste onbeantwoorde vragen over duistere materie

9 van de grootste onbeantwoorde vragen over duistere materie

De vragen rond de donkere materie zijn enkele van de belangrijkste natuurkundige mysteries van onze moderne tijd. Het bestaan ​​van donkere materie werd aanvankelijk voorgesteld door de Nederlandse astronoom Jacobus Kapteyn in 1922, met behulp van onderzoek naar stellaire snelheden. Toen, in 1933, merkte Fritz Zwicky iets vreemds op in de verre comacluster van sterrenstelsels.

De Zwitsers-Amerikaanse astronoom ontdekte dat de massa van alle sterren in de Coma-cluster van sterrenstelsels slechts ongeveer 1 procent leverde van de massa die nodig is om te voorkomen dat de sterrenstelsels ontsnappen aan de zwaartekracht van de cluster. In feite werd donkere materie aanvankelijk "ontbrekende materie" genoemd, omdat astronomen het niet konden vinden door het universum te observeren met een deel van het elektromagnetische spectrum. Pas in de jaren zeventig werd het bestaan ​​van donkere materie officieel bevestigd door de Amerikaanse astronomen Vera Rubin en W. Kent Ford.

Dus, wat is de huidige hype rond donkere materie? Je hebt er misschien naar verwezen in sciencefictionfilms of tv-shows of er zelfs over gelezen in het nieuws, terwijl de wetenschappelijke gemeenschap eraan werkt om het beter te begrijpen. Een goed begrip van deze ontbrekende materie zou wetenschappers kunnen helpen om de precieze aard van het universum beter te begrijpen en misschien zelfs hoe ons universum zal eindigen.

Volgens sommige theorieën komt donkere materie veel meer voor dan we denken. De hoeveelheid donkere materie zou ons kunnen laten zien of het universum zich uitbreidt, of het ergens in de verre toekomst zou kunnen instorten, of helemaal niet meer zou bewegen. Donkere materie zou onderzoekers ook kunnen helpen om beter te begrijpen hoe zwaartekracht werkt, of hoe sterrenstelsels ontstaan. De lijst gaat verder. Er zijn echter nog veel onbeantwoorde vragen over de donkere materie die moeten worden aangepakt voordat astronomen vooruit kunnen. Dat is wat we vandaag gaan verkennen. Laten we beginnen.

1. Wat is donkere materie precies?

Als je nog steeds niet zeker weet wat donkere materie is, ben je niet de enige. Hoewel veel onderzoekers denken dat donkere materie 85% van de materie in het universum uitmaakt, is er nog geen overeenstemming over wat donkere materie precies is. Sterker nog, hoe meer we donkere materie bestuderen, hoe duisterder de dingen lijken te worden. Er zijn echter twee belangrijke theorieën over de aard van donkere materie.

Een daarvan is de suggestie dat donkere materie bestaat uit gewone maar moeilijk te zien dode sterren of enorme koude planetaire objecten. Deze objecten zouden zich in sterrenstelsels ophopen in een "halo" en worden daarom "Massive Compact Halo Objects" of MACHO's genoemd.

De andere populaire theorie is dat donkere materie is samengesteld uit onontdekte deeltjes die zijn gemaakt in de oerknal en overal voorkomen. Dit worden Weakly Interacting Massive Particles of WIMP's genoemd. Dit is momenteel de leidende theorie.

Natuurkundige Don Lincoln van Fermilab van het Amerikaanse Department of Energy breidde dit idee uit in zijn artikel voor Livescience en verklaarde: 'We hebben nooit rechtstreeks donkere materie waargenomen, maar we weten veel over wat het moet zijn: het moet enorm zijn (omdat het de rotatie van sterrenstelsels); het moet elektrisch neutraal zijn (omdat we het niet kunnen zien); het moet anders zijn dan gewone materie (omdat we geen bewijs zien dat het op de gebruikelijke manieren met materie in wisselwerking staat), en het moet stabiel zijn (omdat het bestaat sinds de dageraad van het universum). Deze eigenschappen zijn ondubbelzinnig. "

"We weten echter niet precies wat het is. In de meest populaire generieke theorie wordt het donkere-materiedeeltje een WIMP genoemd, voor zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes. WIMP's lijken op zware neutronen (maar zeker geen neutronen), met een massa van 10 tot 100 keer zwaarder dan een proton. Ze werden in grote hoeveelheden gemaakt tijdens de oerknal, en een klein overblijfsel blijft tot op de dag van vandaag bestaan. "

Maar zelfs als deze WIMP's nauwelijks detecteerbaar zijn, zouden ze overal moeten zijn en zouden we op de een of andere manier met ze moeten kunnen communiceren. Dit was de heersende theorie voor een langere periode. In de afgelopen decennia hebben onderzoekers machines gebouwd om de WIMP-deeltjes van donkere materie tot voor kort zonder resultaat te detecteren.

Een donkere-materiedetector in Italië kwam onlangs terug met positieve resultaten. Toch is het DAMA-experiment zeer controversieel, aangezien andere donkere-materiedetectoren over de hele wereld tegenstrijdige resultaten opleveren. Op dit moment hebben we nog geen definitief bewijs dat deze theoretische deeltjes zelfs maar bestaan.

2. Moet donkere materie geen interactie hebben met iets?

Ja absoluut. Maar dit is veel moeilijker dan u misschien denkt. Ten eerste kunnen onderzoekers donkere materie alleen bestuderen door te zien hoe het het universum eromheen beïnvloedt. Tot nu toe is het enige dat is waargenomen de zwaartekrachtseffecten van donkere materie, die onze ideeën over het onderwerp verder vertroebelen.

Uit eerdere studies van het fenomeen donkere materie weten we dat het invloed heeft op hemellichamen. Maar wat als donkere materie geen deeltje is? Misschien is het een veld? Of misschien begrijpen we niet helemaal hoe de zwaartekracht werkt.

In 2015 observeerden onderzoekers vier grote klonten van, naar zij dachten, donkere materie rond vier botsende sterrenstelsels. Hun waarnemingen toonden aan dat een van de bosjes vreemd achterbleef bij zijn melkwegstelsel. Dit leek niet alleen te bevestigen dat donkere materie melkwegstelsels beïnvloedt, maar het toonde ook aan dat donkere materie kan interageren met andere donkere materie. Maar we moeten nog zien of donkere materie in wisselwerking staat met gewone materie.

3. Is er een manier om donkere materie goed te bestuderen?

Zoals hierboven vermeld, hebben onderzoekers jarenlang geprobeerd deeltjes van donkere materie te detecteren, zonder succes. Als de WIMP-theorie echter correct is, zou het erg moeilijk zijn om ze correct te meten. Maar als we aannemen dat deze deeltjes door de ruimte reizen, zou donkere materie op een gegeven moment in wisselwerking moeten staan ​​met een meer bekende vorm van gewone materie, zoals een proton of elektron.

Om dit te meten, hebben onderzoekers experiment na experiment gebouwd om interacties van gewone deeltjes diep onder de grond te bestuderen, waar ze worden beschermd tegen storende straling die een botsing tussen donkere materie en deeltjes zou kunnen nabootsen. Maar zelfs het meest recente Chinese PandaX-experiment heeft nog geen definitieve resultaten opgeleverd. Een heersende theorie om dit te verklaren is dat de deeltjes donkere materie eigenlijk veel kleiner zijn dan WIMP's en dus erg moeilijk te detecteren.

4. Kan donkere materie uit meer dan één deeltje bestaan?

Deze vraag is logisch. Tenslotte bestaat gewone materie niet alleen uit protonen en elektronen. Het bevat ook een groot aantal "exotische" deeltjes zoals neutrino's, muonen en pionen. Het zou niet ver weg zijn om te geloven dat donkere materie een vergelijkbare "exotische" mix van deeltjes heeft. "Donkere materiedeeltjes zouden in wezen bestaan ​​uit zware 'donkere protonen' en lichte 'donkere elektronen'", zegt Charles Q. Choi.

"Ze zouden veel meer met elkaar interageren dan andere donkere materiedeeltjes om 'donkere atomen' te vormen die 'donkere fotonen' gebruiken om te interageren via een soort 'donker elektromagnetisme', net zoals gewone protonen en elektronen interageren via fotonen in conventioneel elektromagnetisme om bouw de atomen op die het materiaal van het dagelijks leven vormen. Als donkere atomen mogelijk zijn, zouden ze met elkaar kunnen reageren voor donkere chemie, net zoals gewone atomen chemisch interageren. "

5. Hoe zit het met duistere krachten?

Nee, we hebben het niet over de Darkside of the Force. Maar voor zover we weten, zou het op dezelfde manier kunnen werken. Zoals hierboven vermeld, zou donkere materie kunnen bestaan ​​uit zogenaamde donkere deeltjes. De manier waarop donkere protonen en donkere elektronen met elkaar omgaan, zou kunnen verklaren waarom donkere materie samenklontert en bolvormige halo's vormt rond melkwegstelsels, sterren en planeten.

Dit zou ook de mogelijkheid kunnen openen van het bestaan ​​van donkere fotonen. Wat zijn donkere fotonen, vraag je je af? Kortom, het zijn fotonen die worden uitgewisseld tussen normale deeltjes die de elektromagnetische kracht opwekken, behalve dat ze alleen worden gevoeld door donkere materiedeeltjes. Theorieën zoals deze zouden een Pandora's Box van een hele andere kant van het universum kunnen openen.

6. Wat als donkere materie de materie van axioma's is?

Terwijl sommige onderzoekers zich blijven concentreren op de WIMP-theorie, op zoek naar zwakke deeltjes, is de aandacht verschoven naar een ander deeltje, axioma's. Dit zijn ultralichte deeltjes, miljarden keren lichter dan het elektron. Sommigen denken dat ze om meerdere redenen een uitstekende kandidaat zijn voor donkere materie.

Ten eerste zou hun onzichtbare aanwezigheid verklaren waarom het universum veel zwaarder is dan het lijkt. Ten tweede zou het deeltje ook laten zien waarom de twee fundamentele krachten die atoomkernen vormen, verschillende regelboeken volgen. Het Axion Dark Matter Experiment (ADMX) aan de Universiteit van Washington leidt momenteel de aanklacht voor axioma en donkere materie-wetenschap.

Het axion is een kandidaat voor donkere materie, omdat het, net als donkere materie, niet echt kan interageren met gewone materie. Deze afstandelijkheid maakt ook het axion, als het bestaat, buitengewoon moeilijk te detecteren. Dit vreemde deeltje zou ook kunnen helpen bij het oplossen van een al lang bestaand raadsel in de natuurkunde dat bekend staat als "het sterke CP-probleem".

7. Als donkere materie overal bestaat, zou het dan niet in elk sterrenstelsel moeten bestaan?

Een van de leidende theorieën over donkere materie is dat het een vitale rol speelt bij de vorming van sterrenstelsels. Er wordt aangenomen dat donkere materie een rol speelt bij het beheersen en organiseren van de vorming van grote hemelstructuren. Onderzoekers hebben nu echter een sterrenstelsel gevonden dat helemaal geen donkere materie lijkt te bevatten.

Als we aan donkere materie denken als het schavot dat het universum bij elkaar houdt, waarom zou een melkwegstelsel dan deze cruciale structuren missen? Een antwoord is dat donkere materie misschien niet zo'n grote rol speelt bij de vorming van hemellichamen als eerder werd gedacht.

8. Hoe zit het met onze positieve detectie van donkere materiedeeltjes?

Zoals hierboven vermeld, is onderzoek van het Italiaanse DAMA-project, dat de vondst van donkere materie rapporteerde, zeer controversieel. Om de mysterieuze en ongrijpbare deeltjes van donkere materie te vinden, hebben onderzoekers over de hele wereld ondergrondse detectoren gemaakt om te proberen de interactie van WIMP-deeltjes met gewone materie te observeren.

Tot op heden is DAMA het enige project dat erin is geslaagd het bestaan ​​van donkere materiedeeltjes aan te tonen. Andere toonaangevende detectorprojecten op verschillende plaatsen over de hele wereld hebben tegenstrijdige resultaten gemeld. Over de juistheid van de DAMA-resultaten wordt tot op de dag van vandaag fel gedebatteerd.

9. Kunnen gewone deeltjes vervallen tot donkere materie?

Wat als gewone deeltjes daadwerkelijk veranderen in deeltjes van donkere materie? Iets soortgelijks zien we immers al gebeuren bij elektronen en neutronen. Een eenzaam neutron zal langzaam vervallen tot een proton, terwijl een elektron zal vervallen tot een neutron. Sommige onderzoekers geloven dat 1% van deze deeltjes vervallen in feite tot donkere deeltjes. Bartosz Fornal en Benjamín Grinstein van de University of California, San Diego, stellen een oplossing voor deze discrepantie voor, waarbij wordt aangenomen dat neutronen 1% van de tijd vervallen tot donkere materiedeeltjes. Omdat bundelexperimenten dit verval niet zouden detecteren, zou hun afgeleide neutronenlevensduur langer zijn dan de werkelijke waarde.

Denk je dat we in de toekomst eindelijk donkere materie zullen begrijpen?


Bekijk de video: Ontdek het Geheim achter s Werelds beroemdste Goocheltrucs (Juli- 2021).