Waar is het universum van gemaakt? Maak je geen zorgen als je geen idee hebt, astronomen ook niet. James Jee van de Johns Hopkins University gebruikte de Hubble-ruimtetelescoop om een gedetailleerde kaart te maken van concentraties van donkere materie rond twee sterrenstelsels. En astronomen hebben zojuist nieuwe aanwijzingen gekregen.
Luister naar het interview: Dark Matter Maps (5 MB)
Of abonneer u op de podcast: abonneren
Fraser Cain: We hebben de term donkere materie nogal wat gehoord. Kunt u ons het huidige begrip geven van wat donkere materie is?
Dr. James Jee: Voordat ik het heb over donkere materie, moet ik vermelden wat astronomen nu geloven hoe het heelal is gekomen tot wat het nu is. We geloven dat 30% van het heelal materie is en de andere 70% donkere energie, en donkere materie meer dan 90% van de materie in het heelal omvat. Niemand heeft donkere materie in de laboratoria gedetecteerd, dus ze weten de vorm, kleur of geur ervan niet, maar er is bewijs dat het er is. We kunnen het detecteren door de zogenaamde gravitationele lensing.
Fraser: Dus je hebt onlangs een onderzoek uitgevoerd met de Hubble-ruimtetelescoop om de concentratie van donkere materie in kaart te brengen. Wat was het proces om dat te doen?
Dr. Jee: Donkere materie omvat, zoals ik al zei, 90% van de materie in het heelal, en de beste plaats om naar donkere materie te zoeken, is waar die het meest aanwezig is. Dus richtten we de Hubble-ruimtetelescoop op twee van de meest interessante melkwegclusters die zich vormden toen het heelal de helft van zijn huidige leeftijd was.
Fraser: En wat heb je gezien?
Dr. Jee: We hebben de spectrale verdeling van de achtergrondstelsels onderzocht. Door de vervorming van die achtergrondstelsels te onderzoeken, konden we de dichtheid van donkere materie op de voorgrond bepalen.
Fraser: Laat me eens kijken of ik dit goed begrijp. Je keek naar verre sterrenstelsels en door te zien hoe het licht veranderde toen het op ons afkwam, was je in staat om te detecteren waar er verborgen massa materie was die het gravitatie beïnvloedde.
Dr. Jee: Precies. Misschien is dit een goede analogie. Stel dat u een nieuwsartikel leest met een vergrootglas, dan kunt u het vermogen of de dikte van de lenzen afleiden door te onderzoeken in hoeverre de letters er groter uitzien door het vergrootglas. Evenzo, als je kijkt naar de vervorming of de vergroting van de achtergrondstelsels, kun je de dichtheid van de ongrijpbare donkere materie op de voorgrond bepalen.
Fraser: Dus wat is dan de relatie tussen donkere materie en de sterrenstelsels die we kunnen zien?
Dr. Jee: Het is de dominante materie in het heelal en het heeft zwaartekracht. Zonder donkere materie is het heel moeilijk om sterrenstelsels te vormen met de grootschalige structuren die we in het huidige universum zien. Dus zeker, donkere materie helpt de vorming van sterrenstelsels in de grootschalige structuur.
Fraser: Is het dan mogelijk dat waar ooit de donkere materie klontert, dat is waar we waarschijnlijk sterrenstelsels zullen zien?
Dr. Jee: Ja, dat is eigenlijk wat we in ons onderzoek hebben gevonden. Mensen hebben gespeculeerd dat donkere materie botsloze deeltjes zijn en dat de donkere materie en de normale materie samen zouden moeten bestaan. Maar niemand heeft dit heel duidelijk kunnen vaststellen omdat de donkere materie geen elektromagnetische golven afgeeft. Wat we met de Hubble hebben gevonden, is dat de lichtgevende sterrenstelsels zich vormen in de dichtste gebieden van die halo's voor donkere materie.
Fraser: Als we weten dat dit soort klontering plaatsvindt - de twee lijken hand in hand te gaan - stelt dit je dan in staat om bestaande theorieën weg te gooien voor wat deze donkere materie zou kunnen zijn?
Dr. Jee: Ja, dit geeft ons veel aanwijzingen. De meeste mensen zijn van mening dat donkere materie botsingsvrij is, maar sommigen suggereren dat ze mogelijk botsingseigenschappen hebben, zoals waterstofgas. De manier waarop donkere materie samenklontert, geeft ons hints over wat de donkere materie is. Stel dat de donkere materie botsingseigenschappen heeft, zoals het waterstofatoom, dan botsen ze heel vaak met elkaar en dan zien we een zeer soepele verdeling van een donkere materie-halo. Maar we hebben ontdekt dat deze structuren erg klonterig zijn, net als de massa van een sterrenstelsel zelf. Dat geeft aan dat donkere materiedeeltjes, indien aanwezig, botsingsloze deeltjes zullen zijn, zoals de meeste theorieën zeggen in de hedendaagse astronomie.
Fraser: Oh, ik begrijp het, dus de feitelijke deeltjes die deze donkere materie zouden kunnen veroorzaken, zijn ofwel zo klein, of zo zwak interactief dat ze niet eens samen bonken. En als ze samen bonken, zou je eigenlijk een meer gelijkmatige verspreiding zien. Dus wat zou dan de volgende fase van uw onderzoek zijn op basis van de bevindingen die u heeft opgedaan?
Dr. Jee: Het programma Advanced Camera for Surveys omvat meer dan 15 melkwegclusters die heel erg interessant zijn. Dit zijn slechts de eerste twee resultaten. We zijn van mening dat als we onze 15 melkwegclusters voor de enquête voltooien, we een duidelijker beeld zullen hebben van hoe de donkere materie en de normale materie op elkaar inwerken, mogelijk door de zwaartekracht samen. En we hebben misschien een duidelijker idee van hoe de donkere materie bijdraagt aan de vorming van de grootschalige structuur van het heelal.
Fraser: En op basis van het onderzoek dat je tot nu toe hebt gedaan, heb je een huisdierentheorie voor wat de donkere materie zou kunnen zijn?
Dr. Jee: Nou, als je naar de Astro-ph-website gaat, is dat de website waar mensen hun verschillende onderzoeksrapporten uploaden, en er zijn zo'n 10 of 15 papers per dag. En daarover zijn veel speculaties die zeer aantrekkelijk en plausibel zijn. Maar ik vermoed dat de aard van donkere materie over 10 of 15 jaar kan worden beantwoord, maar we zoeken nog steeds. Ons onderzoek geeft een ongekende resolutie van donkere materie die onderscheid kan maken tussen botsende en botsloze deeltjes.
Fraser: En zijn er andere instrumenten dan Hubble die dit werk kunnen doen?
Dr. Jee: We kunnen de zwaartekrachtlens doen met de telescopen op de grond. In feite was het in 1990 dat mensen voor het eerst de donkere materie ontdekten met behulp van zwaartekrachtlensing. Maar als je de zwaartekrachtlens doet met een telescoop op de grond, is de resolutie zo slecht. Met andere woorden, de atmosferische turbulentie zal de zwaartekrachtlens smeren, zodat we geen beeld van zeer hoge kwaliteit van de donkere materie kunnen zien. Maar als we de telescoop in de ruimte gebruiken, vervaagt hij de vorm van het achtergrondbeeld niet, zodat je het zwaartekrachtlenssignaal behoudt. We kunnen een beeld met een zeer hoge resolutie bedenken van de verdeling van donkere materie.
Fraser: En een groter instrument zou je een beter beeld geven.
Dr. Jee: Absoluut. De volgende telescoop is de JWST (James Webb Space Telescope) die de resolutie van de betekenis van donkere materie effectief met een factor 10 of meer zal verhogen.
Fraser. Denk je dat je iets significant anders zou zien met de 10x-resolutie?
Dr. Jee: De globale vorm van de verdeling van donkere materie zal niet veel veranderen, maar in dat geval kunnen we misschien de structuur van de donkere materie vergelijken met die van sterrenstelsels. In dat geval kunnen we misschien antwoorden of de donkere materiedeeltjes een aantal botsingseigenschappen hebben. In het begin zei ik dat wat ik heb gevonden consistent is met de botsingsloze hypothese. Maar er zijn enkele suggesties dat deeltjes van donkere materie een aantal zeer kleine botsingseigenschappen kunnen hebben. We konden dus de offset bepalen tussen donkere materie en materie van sterrenstelsels. Dat geeft u veel mogelijke beperkingen op de botsingsdoorsneden tussen normale en donkere materiedeeltjes.
Dit onderzoek werd op 13 december 2005 gerapporteerd in Space Magazine.
