Spookachtige halo's van donkere materie zo zwaar als de aarde en zo groot als ons zonnestelsel waren de eerste structuren die zich in het universum vormden, volgens nieuwe berekeningen van wetenschappers van de Universiteit van Zürich, gepubliceerd in het nummer van Nature van deze week.
Ons eigen sterrenstelsel bevat nog steeds quadriljoenen van deze halo's, waarvan er naar verwachting om de paar duizend jaar de aarde zal passeren, waardoor een helder, detecteerbaar spoor van gammastraling achterblijft, zeggen de wetenschappers. Dagelijks regenen talloze willekeurige donkere materiedeeltjes onopgemerkt op de aarde en door ons lichaam.
"Deze halo's voor donkere materie waren de zwaartekrachtslijm die gewone materie aantrok, waardoor uiteindelijk sterren en sterrenstelsels konden ontstaan", zegt prof. Ben Moore van het Instituut voor Theoretische Fysica aan de Universiteit van Zürich, co-auteur van het Nature-rapport . "Deze structuren, de bouwstenen van alles wat we vandaag zien, begonnen zich vroeg te vormen, slechts ongeveer 20 miljoen jaar na de oerknal."
Donkere materie omvat meer dan 80 procent van de massa van het universum, maar de aard ervan is onbekend. Het lijkt intrinsiek anders te zijn dan de atomen waaruit de stof om ons heen bestaat. Donkere materie is nooit direct gedetecteerd; zijn aanwezigheid wordt afgeleid uit zijn zwaartekrachtinvloed op gewone materie.
De wetenschappers van Zürich baseerden hun berekening op de leidende kandidaat voor donkere materie, een theoretisch deeltje dat een neutralino wordt genoemd en dat vermoedelijk in de oerknal is ontstaan. Hun resultaten brachten enkele maanden van nummercrisis met zich mee op de zBox, een nieuwe supercomputer ontworpen en gebouwd aan de Universiteit van Zürich door Moore en Drs. Joachim Stadel en Juerg Diemand, co-auteurs van het rapport.
'Tot 20 miljoen jaar na de oerknal was het universum bijna glad en homogeen', zei Moore. Maar kleine onevenwichtigheden in de materieverdeling zorgden ervoor dat de zwaartekracht de vertrouwde structuur creëerde die we vandaag zien. Gebieden met een hogere massadichtheid trokken meer materie aan, en gebieden met een lagere dichtheid verloren materie. Donkere materie creëert gravitatieputten in de ruimte en gewone materie stroomt erin. Ongeveer 500 miljoen jaar na de oerknal begonnen zich daardoor sterrenstelsels en sterren te vormen, terwijl het universum 13,7 miljard jaar oud is.
Met behulp van de zBox-supercomputer die de kracht van 300 Athlon-processors benutte, berekende het team hoe neutralino's die in de oerknal werden gecreëerd, in de loop van de tijd zouden evolueren. De neutralino is al lang een favoriete kandidaat voor 'koude donkere materie', wat betekent dat hij niet snel beweegt en samen kan klonteren om een zwaartekrachtbron te creëren. De neutralino is nog niet gedetecteerd. Dit is een voorgesteld "supersymmetrisch" deeltje, onderdeel van een theorie die probeert inconsistenties in het standaardmodel van elementaire deeltjes te verhelpen.
De afgelopen twee decennia geloofden wetenschappers dat neutralino's vandaag enorme halo's voor donkere materie kunnen vormen en hele sterrenstelsels kunnen omhullen. Wat uit de berekening van de zBox-supercomputer van het Zürich-team naar voren is gekomen, zijn drie nieuwe en opvallende feiten: eerst de massa-halo's van de aarde; deze structuren hebben extreem dichte kernen waardoor quadriljoenen de eeuwen in ons sterrenstelsel hebben overleefd; ook deze "miniatuur" halo's van donkere materie bewegen zich door hun gaststelsels en hebben interactie met gewone materie als ze voorbij komen. Het is zelfs mogelijk dat deze halo's de kometenwolk van Oort tot ver buiten Pluto verstoren en puin door ons zonnestelsel sturen.
'Detectie van deze neutrale halo's is moeilijk maar mogelijk', zei het team. De halo's zenden constant gammastraling uit, de meest energetische vorm van licht, die wordt geproduceerd wanneer neutralino's botsen en zichzelf vernietigen.
"Een voorbijgaande halo in ons leven (als we zoveel geluk hebben), zou dichtbij genoeg zijn om gemakkelijk een helder spoor van gammastraling te zien", zegt Diemand, nu aan de University of California in Santa Cruz.
De beste kans om neutralino's te detecteren, is echter in galactische centra, waar de dichtheid van donkere materie het hoogst is, of in de centra van deze migrerende massa-neutrale halo's van de aarde. Dichtere regio's zullen een grotere kans op neutrale botsingen en dus meer gammastraling geven. 'Dit zou nog steeds moeilijk te detecteren zijn, zoals proberen het licht van een enkele kaars op Pluto te zien', zei Diemand.
NASA's GLAST-missie, gepland voor lancering in 2007, zal deze signalen kunnen detecteren als ze bestaan. Op de grond gebaseerde gammastraal-observatoria zoals VERITAS of MAGIC kunnen mogelijk ook gammastralen detecteren door neutralino-interacties. De Large Hadron Collider bij CERN in Zwitserland zal de komende jaren de concepten van supersymmetrie bevestigen of uitsluiten.
Afbeeldingen en computeranimaties van een neutralino-halo en vroege structuur in het universum op basis van computersimulaties zijn beschikbaar op http://www.nbody.net
Albert Einstein en Erwin Schrodinger behoorden tot de vorige professoren die werkzaam waren bij het Instituut voor Theoretische Fysica aan de Universiteit van Zürich, die substantiële bijdragen hebben geleverd aan ons begrip van de oorsprong van het universum en de kwantummechanica. 2005 is het eeuwfeest van Einsteins meest opmerkelijke werk in de kwantumfysica en relativiteit. In 1905 promoveerde Einstein aan de Universiteit van Zürich en publiceerde hij drie wetenschappelijke publicaties.
Noot voor de redactie: de innovatieve supercomputer ontworpen door Joachim Stadel en Ben Moore is een kubus van 300 Athlon-processors, onderling verbonden door een tweedimensionaal hogesnelheidsnetwerk van Dolphin / SCI en gekoeld door een gepatenteerd luchtstroomsysteem. Refereer naar http://krone.physik.unizh.ch/~stadel/zBox/ voor meer details. Stadel, die het project leidde, merkte op: "Het was een hele klus om een supercomputer van wereldklasse samen te stellen uit duizenden componenten, maar toen het voltooid was, was het de snelste in Zwitserland en de supercomputer ter wereld met de hoogste dichtheid. De parallelle simulatiecode die we gebruiken, verdeelt de berekening door afzonderlijke delen van het modeluniversum over verschillende processors te verdelen. ”
Oorspronkelijke bron: Instituut voor theoretische fysica? Universiteit van Zürich persbericht
