Waaruit bestaat donkere materie? Dr. Theo M. Nieuwenhuizen Instituut voor Theoretische Fysica Universiteit van Amsterdam Sterrenwacht Vesta Oostzaan, 17-10-2009

Inhoud Wat is donkere materie? Waar zit het? Twee vormen van donkere materie: Macho’s of Wimp’s Zoektochten De oplossingen

Ontdekking van donkere materie 1932 Jan Oort Leiden: beweging in ons melkwegstelsel gaat “te snel” Loodrecht op het vlak: sterren zouden weg moeten schieten In het vlak: ze zouden uit de bocht moeten vliegen Verklaring: er is meer materie dan we zien: donkere materie 1900 - 1992 1932 Fritz Zwicky: clusters van melkwegstelsels Ze draaien te snel om elkaar Verklaring: er is donkere materie 1898 - 1974

Rotatie van melkwegstelsels Rotatiesnelheid vrijwel onafhankelijk van positie

Andromeda Nevel in Ultraviolet

p In zonnestelsel gaan buitenplaneten langzamer Planeet Afstand tot zon Omloopsnelheid Mercurius 0.45 AE 48 km/s Aarde 1 AE 30 km/s Jupiter 5 AE 13 km/s p In zonnestelsel gaan buitenplaneten langzamer In melkwegstelsels moet er dus materie buiten het centrum zijn Waar zit de donkere materie?

Verklaringen Planeten? MACHOs: Massive Astrophysical Compact Halo Objects Zware deeltjes (“koude donkere materie”) ? WIMPs: Weakly Interacting Massive Particles Wet van Newton geldt niet? Hydrodynamica, vloeistofmechanica

Hydrodynamica 400.000 jr na oerknal: oerplasma wordt gas (waterstof, He) Jeans 1904: vorming oer-clusters Gibson 1996: Viscositeit leidt tot fragmentatie in gasbollen met aardmassa Indien gasbollen samenklonteren ontstaan sterren, Jeans cluster wordt zichtbaar als bolvormige sterrenhoop De meeste gasbollen koelen af en bevriezen, hun clusters zijn onzichtbaar

Sir James Hopwood Jeans 1877-1946 Carl H. Gibson * 1935 100.000.000 Jeans clusters om Melkwegstel, 149 zichtbaar als bolvormige sterrenhopen. Die clusters vormen de galactische donkere materie. Isotherme dichtheidsverdeling verklaart de grote rotatiesnelheden ver van het centrum Meer dan 2000 objecten met aardmassa Rudy E. waargenomen in microlensing Schild *1942

Omega Centauri: Bolvormige sterrenhoop in Melkwegstelsel Jonge blauwe sterren, oudere gele sterren: stervorming uit aanwezige bevroren gasbollen ging in fases

Helix planetaire nevel Ontplofte ster Werd witte dwerg Ca 40.000 “cometaire knopen” = oer-gasbollen Ca 1 aardmassa Galactische donkere materie = gasbollen met aardmassa: Macho’s

NGC-2623: Twee melkwegstelsels in elkaars donkere materie? Oerclusters opgewarmd: nieuwe sterren in jonge sterrenhopen

Antennae melkwegstelsels: Twee botsende stelsels komen binnen elkaars donkere-materie-sfeer. Langs hun paden transformeren zij diverse koude Jeans clusters in jonge sterrenhopen.

Deel 2: Cluster donkere materie Abell 1689 cluster van melkwegstelsels “Dichtbij” z = 0.184 Einstein ring

Incomplete Einstein ring op 100/h kpc Abell 1689 Centrum Alles is in circels: Donkere materie werkt als kristallen bol

Incomplete Einstein ring op 143 kpc Abell 1689 Centrum Donkere materie werkt als kristallen Bol rechts: oudste melkwegstelsel 12.8 miljard jaar

Hubble, na de laatste reparatie mei 2009 cluster van melkweg-stelsels Abell 370 Sterkste gravitatie- lens

Beschrijving lensdata van Abell 1689 Th.M. N. ’09: Beschouw quantumdeeltjes (fermionen) in elkaars gravitatie bij een te bepalen temperatuur. Maat Limousin et al, ApJ 2007 voor locale Tyson and Fischer ApJ 1995 massa- dichtheid afstand tot centrum

Neutrino’s veroorzaken die lenswerking Bekende deeltjes: proton, electron, neutron, foton Neutrino “neutrontje”: ongeladen deeltje Voorspeld in 1930 door Pauli Lichtste van alle deeltjes (niet massaloos!) Massa nu voorspeld met behulp van Abell 1689 cluster: Massa tussen 0,2 eV en 2 eV wordt gezocht in Karlsruhe (2012)

De grootste quantumstructuur in het heelal genormeerde dichtheid: # neutrino’s per kubieke thermische lengte per vrijheidsgraad afstand tot centrum N>1: quantum ontaard N=1: overgang quantum—klassiek op r = 505 kpc = 1.6 miljoen lichtjaar d = 2r = 3.2 miljoen lichtjaar Dat is best wel groot …

Incomplete Einstein ring op 143 kpc Abell 1689 Centrum

Samenvatting Twee soorten: Oort en Zwicky Donkere Materie Oort Donkere materie: Donkere materie van melkwegstelels is gewone materie. Bevroren gasklompen van aardmassa (MACHO’s), en die weer in Jeans clusters van ca 100.000 zonsmassa’s. Ca 100 miljoen van die clusters om ons melkwegstelsel. 149 zichtbaar als bolvormige sterrenhopen. Stervorming in fases in bolvormige sterrenhopen verklaard: nieuwe sterren gevormd uit aanwezige bevroren gasklompen. Dwergstelselprobleem (10.000 sterren, veel donkere materie) opgelost: Jeans cluster met nog veel bevroren gasbollen

Samenvatting Oort Donkere materie in melkwegstelsels Zwicky Donkere Materie in clusters van melkwegstelsels: “nieuw” deeltje: neutrino met massa 1,5 eV (WIMP) Vele zoektochten naar allerlei (zware) deeltjes waren vruchteloos: massa = keV, MeV, GeV, TeV, PeV ADMX, ANAIS, ArDM, ATIC, BPRS, CAST, CDMS, CLEAN, CRESST,CUORE, CYGNUS, DAMA, DEEP, DRIFT, EDELWEISS, ELEGANTS, EURECA, GENIUS, GERDA, GEDEON, GLAST, HDMS, IGEX, KIMS, LEP, LHC, LIBRA, LUX, NAIAD, ORPHEUS, PAMELA, PICASSO, ROSEBUD, SIGN, SIMPLE, UKDM, XENON, XMASS, ZEPLIN. DAMIC, FERMI, ICECUBE, VERITAS. Neutrino massa 0,2 eV – 2 eV wordt gezocht in Katrin experiment in Karlsruhe (2012).

Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter? Th. M. N. Gravitational hydrodynamics of large scale structure formation Th. M. N., Carl H. Gibson, Rudy E. Schild arXiv:0906.5087 Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter? Th. M. N. Europhysics Letters 86 (2009) 59001

De steen die de werklieden weg wierpen is de hoeksteen geworden Psalm 118:22 De steen die de werklieden weg wierpen is de hoeksteen geworden

KArlsruhe TRItium Neutrino Experiments