Astronomen brengen donkere materie indirect in kaart, via de zwaartekracht op andere objecten.
Paul M. Sutter is astrofysicus bij De Ohio State University, gastheer van Vraag een Spaceman en Space Radio, en auteur van "Jouw plaats in het universum.'Sutter heeft dit artikel bijgedragen Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
De moderne studie van het hele universum, de tak van de wetenschap die bekend staat als de kosmologie, dankt zijn huidige status aan vele opmerkelijke figuren, die teruggaat op bijna een eeuw van toegewijd, hard gewonnen onderzoek.
Sommige van deze namen zijn misschien bekend: Albert Einstein, Edwin Hubble, Vera Rubin, etc. Maar onlangs erkende de Nobelprijs-commissie de bijdragen van een naam die je misschien niet herkent, Jim Peebles, en gaf hem de helft van de natuurkundeprijs van 2019, "voor bijdragen aan ons begrip van de evolutie van het universum en de plaats van de aarde in de kosmos."
Het volstaat te zeggen dat kosmologie niet zou zijn waar ze nu is zonder de inspanningen van Jim Peebles. Het is één ding om te zeggen Big Bang-model in de eenvoud van een achterkant van een T-shirt (bijv. "het universum was vroeger kleiner en heter, en nu niet meer"), maar het is iets heel anders om dat om te zetten in een nauwkeurige wiskundige formulering die voorspellingen kan doen om mee te vergelijken observaties. Het is redelijk om te zeggen dat Peebles de kosmologie heeft helpen transformeren van 'een keurig en over het algemeen correct idee' naar 'een veld van echte wetenschap'. Laten we drie belangrijke wegen verkennen waar zijn inzichten ons hebben geleid:
De kosmische microgolfachtergrond
Als het vroege universum kleiner was dan het nu is, dan moet het ook heter en dichter zijn geweest. En zodra je deze realiteit accepteert, realiseer je je snel dat, op een bepaald moment in het verre verleden, het heelal moet zo dicht en zo heet zijn geweest dat het in een heel andere toestand van materie bestond.
Meer dan 13 miljard jaar geleden, toen het universum ongeveer een miljoenste van zijn huidige volume was, was al het spul in de kosmos zo samengesmolten dat het een plasma was, een toestand van materie waarin de elektronen van atomen worden gescheurd en vrij zijn om alleen ronddwalen. Destijds was het universum behoorlijk intens.
Maar toen werd het ouder, het werd groter en het werd kouder. En op een bepaalde leeftijd daalden de temperaturen en drukken tot onder een kritische drempel en konden elektronen zich aan atomen hechten zonder meteen te worden afgestoten. In een flits werd het universum transparant voor straling en dat licht - letterlijk witgloeiend op het moment van zijn vrijlating - blijft tot op de dag van vandaag doorweken in de kosmos.
Maar vandaag heeft dat licht veel stoom verloren en koelt het slechts een paar graden boven het absolute nulpunt, stevig in de microgolfband. Deze "kosmische microgolfachtergrond'werd per ongeluk ontdekt door een paar microgolffysici in 1964, maar zonder dat ze het wisten, had een groep theoretici, waaronder Peebles, het bestaan ervan al voorspeld. De microgolffysici wonnen de Nobel in 1978, maar het is nooit te laat voor het Nobelcomité om de theoretici ook.
Donkere materie
In de jaren 70 astronoom Vera Rubin ontdekte iets grappigs aan de hand met sterrenstelsels: de sterren binnenin draaiden veel te snel. Zo snel zelfs dat de sterrenstelsels miljarden jaren geleden uit elkaar hadden moeten vallen. Maar daar waren ze, kokkels blij.
Wat was er aan de hand? Hebben we iets niet begrepen over de aard van de zwaartekracht op weegschalen zo groot als sterrenstelsels? Of had het universum een extra ingrediënt dat voor ons verborgen was tot Rubins waarnemingen?
Sommige astronomen, waaronder Rubin zelf, dachten dat we de natuurwetten moesten aanpassen om de zaken goed te krijgen. Maar anderen, waaronder Peebles, dachten dat er meer in een sterrenstelsel was dan op het eerste gezicht lijkt. Hij was een van de eerste voorstanders van wat we nu "koude donkere materie" noemen - een nieuwe vorm van materie die geen interactie heeft met licht (en dus niet met iets anders reageert dan door zwaartekracht). Dat weten we nu donkere materie verzadigt het universum en verdampt normale materie met een verhouding van ten minste 5: 1.
Peebles en medewerkers deden de moeite om te onderzoeken wat deze nieuwe hypothese zou betekenen in termen van gedrag van sterrenstelsels, en gaven waarnemers nuttige tests om te targeten en te meten.
Hoewel we donkere materie nog steeds niet volledig begrijpen - en we moeten de exacte identiteit nog niet achterhalen - is het bewijs afkomstig uit meerdere hoeken, waaronder subtiele afdrukken in de kosmische microgolfachtergrond zelf, dat donkere materie een belangrijk ingrediënt is van onze universum.
Kosmische structuur
Maar Peebles stopte niet bij de vroegste momenten van de oerknal of mysterieuze en onzichtbare componenten voor ons universum. Peebles werd groot - heel groot.
We zien in het universum om ons heen allerlei verschillende soorten sterrenstelsels in allerlei fantasievolle arrangementen. Sommige sterrenstelsels zijn met elkaar verbonden in gigantische clusters, andere zijn eenlingen. Sommige zijn enorm en kolossaal, andere zijn klein en vallen nauwelijks op. En als we uitzoomen tot op de grootste schalen, zien we een enorme "kosmisch web, 'het grootste patroon in de natuur, een structuur die zich uitstrekt van het ene uiteinde van het zichtbare universum naar het andere.
Het kosmische web is gemaakt van sterrenstelsels en lijkt, zoals de naam al doet vermoeden, op een kosmisch spinnenweb.
Hoe deed dat gebeuren?
Peebles en zijn vrienden leidden de weg om de oorsprong van het kosmische web uit te leggen, en ontdekten dat structuren in ons universum langzaam groeien in de tijd, en zich opbouwen van kleinere bits naar grotere bits bij elke voorbijgaande aion.
Ze ontdekten hoe ze hints konden zoeken van de structuurzaden in de kosmische microgolfachtergrond, zichtbaar als kleine temperatuurschommelingen van niet meer dan 1 deel op 100.000. Die variaties waren de locaties van de eerste pools met een iets hogere dan gemiddelde dichtheid, waar in de loop van miljoenen jaren meer materie (vooral donkere materie!) Zou stromen.
Uiteindelijk zouden die kleine klompjes uitgroeien tot sterrenstelsels, en sommige sterrenstelsels gingen samen om clusters van sterrenstelsels te vormen. En aangezien al dat spul dat werd gebruikt om deze grote structuren te bouwen ergens vandaan moest komen, werden enorme lege gebieden geopend en uitgebreid. Dit werden de gaten in het kosmische web, ook wel holtes genoemd.
In de afgelopen decennia heeft Jim Peebles honderden artikelen geschreven en samengewerkt met honderden astronomen, astrofysici, natuurkundigen en kosmologen, en hij was een cruciale speler bij het schilderen van het portret van het universum dat we nu begrijpen.
- Nobelprijs voor natuurkunde: 1901-heden
- Dark Matter and Dark Energy: The Mystery Explained (Infographic)
- 11 Onbeantwoorde vragen over donkere materie
Je kunt luisteren naar de Ask A Spaceman-podcast opiTunesen op internet op http://www.askaspaceman.com. Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul te volgen @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter. Volg ons op Twitter @Spacedotcom of Facebook.
