Peter Hoyng SRON UTRECHT DONKERE MATERIE Peter Hoyng SRON UTRECHT

Waaruit bestaat het heelal ? - van de ‘atomen’ is slechts 1/10 zichtbaar (0.5%) rest is donker (d.w.z. optisch donker) - donkere materie  donkere atomen ! - hoe weten we dit en wat betekent het?

Gewone materie electron (een van de 6 leptonen) p + n (1 tot 250) proton, neutron 6 quarks

4 natuurkrachten 6 leptonen 6 quarks wimps(?) (e,, ..) - zwaartekracht + + + - electromagnetisme + + ? - zwakke kernkracht + + + (radioactief verval) - sterke kernkracht - + - (houdt p,n & kern bijeen) gewone materie donkere (‘atomen of baryonen’) materie donkere energie: eigenschap van vacuum (kosmologische constante Λ)

Inhoud college afstanden, helderheden en spectra van sterren en stelsels massa die we zien (ML) snelheden, baanbereke- keningen, grav. lenzen,.. massa die zwaarte- kracht uitoefent (MG) kosmologie - uitdijing - kernreacties - stelselvorming - 3K achtergrond er is donkere energie (Λ) hoeveel gewone materie er is donkere materie hoeveel gewone materie, donkere materie en energie + zoekpogingen naar DM

1. massabepaling: een stukje klassieke sterrenkunde zon 6000 K 3000 K Hertzsprung-Russel diagram

uit gemeten helderheid + kleurcorrectie nabije sterren: - parallax → afstand D - spectrum → temperatuur T M1 - dubbelsterren → M2 massa’s M - flux = lichtkracht L / (4πD2) uit gemeten helderheid + kleurcorrectie - verificatie o.a. door simulaties - veronderstel HR diagram overal geldig

* * * * * * * parallax α = 1 boogsec (1/ 3600 graad) “parallax van 1 boogsec” dan D = 1 parsec (pc) (1 pc = 3.3 lichtjaar) * * * * * * α * D bruikbaar tot 30 pc, paar 100 geschikte sterren Hipparcos: 106 sterren

p.m. afstanden stelsels: verre sterren: redenering omdraaien gegeven helderheidsklasse en T: L, M, D bekend tot 104 pc (ons melkwegstelsel) nu kan je zichtbare M van ander stelsel schatten (ML) p.m. afstanden stelsels: - standaard lichtbronnen (cepheiden; tot 15 Mpc) - Tully-Fisher methode (tot 200 Mpc) - redshift z

in 1989 (gevoeliger apparatuur): ρL ↑ 50 M☼ per pc2 2. verdeling v┴ van naburige sterren (Oort 1932) d ↨ meet - ρL (ongeveer 25 M☼ per pc2), dikte d en f(v┴) voor gegeven f(v┴) wordt d kleiner als ρG toeneemt  ρG  50 M☼ per pc2 NGC 4565 in 1989 (gevoeliger apparatuur): ρL ↑ 50 M☼ per pc2

. 3. rotatiecurven spiraalstelsels - sinds 1970 ook radio: veel gevoeliger ! M(r) . G M(r) m / r2 = m vrot2 / r zwaartekracht = centrifug. kracht vrot = const → M(r)  r → ρ  1 / r2 mogelijk 10 - 100 x de zichtbare straal ! - ons stelsel: MG  10 x ML wat kan het zijn? Halo met gas, bruine dwergen, oude witte dwergen, iets onbekends?

rotatiecurven

wit: sterren (optisch licht) blauw: waterstofgas (radio straling) NGC 6946 Links (wit centrum) staat een verkleind beeld van het sterrenstelsel zoals onze eigen melkweg. Dit stelsel (NGC6946) heeft ook spiraalarmen,. De opname is gemaakt met een telescoop in optisch licht. Dat licht is afkomstig van miljarden sterren bij elkaar. Afzonderlijke sterren zijn niet te zien. In blauw is daaroverheen afgedrukt een opname in radiostraling (21 cm) van hetzelfde stelsel. Radiostraling wordt uitgezonden door ijle wolken van waterstof gas. We zien dat het sterrenstelsel veel groter is dan uit optisch licht blijkt. De weinige sterren aan de buitenkant dragen onvoldoende bij aan het optisch licht om zichtbaar te worden op deze grote afstand. Waterstof straalt bij 21 cm met een heel nauwkeurige golflengte. Als het gas naar ons toe beweegt is de golflengte wat korter (“blauwverschuiving”) en als het van ons afbeweegt juist langer (“roodverschuiving”) . Dit heet het Doppler-effect en daaruit kan men nauwkeurig de snelheid van het gas meten. Het gas beweegt incirkelbanen om het centrum, in het zwaartekrachtveld van alle materie binnen de baan. Het gas zelf heeft een verwaarloosbare massa. De snelheid buiten het witte gedeelte (de sterren) zou moeten afnemen, zoals ook de snelheid van planeten om de zon steeds verder afneemt naarmate je verder van de zon af bent. In het rechter plaatje staat de snelheid van verschillende gaswolken (verikaal) uit tegen de afstand tot het centrum. Buiten het gebied van de sterren neemt het helemaal niet af, maar blijft bijna constant. Er is dus veel meer massa binnen de baan. Het blijkt wel 10 keer meer te zijn dan de lichtgevende materie (sterren). Er is dus 10 keer meer DONKERE MATERIE dan we zien in de vorm van sterren.

4. de staaf-instabiliteit numerieke simulaties tonen aan dat - schijfstelsel → staafinstabiliteit - een min of meer sferische halo kan dit verhinderen NGC 1300 M74 spiralen algemeen → dus (DM) halo’s ook ?

☺ 5. donkere materie in clusters (Zwicky 1933) als cluster gebonden is dan: 2R (Δv)2 = G MG / R breedte snelheidsverdeling cluster massa - MG  400 x som ML stelsels !

Hercules cluster

6. gravitatielenzen ☺ CL 0024+1654 Clusters: MG = paar 100 x Σ ML

Abell 2218

☺ 7. microlenzen LMC melkweg ster in LMC MACHO = massive compact halo object MACHO monitor veld van 106 sterren → 15 microlenzen in 7 jaar → helft van DM halo bestaat uit 0.5 M☼ macho’s

herkennen: - eenmalig en kleuronafhankelijk - karakteristiek symmetrisch profiel

8. grootschalige snelheidsvelden v = H0D + vp vp ontstaat door inhomogeniteiten analyse bevestigt eerder gevonden MG clusters

Tussenbalans 1. ρL / ρcrit  0.005 is (onderdeel van) gewone materie 2. ρG / ρcrit  0.3 - 1 alle materie (gewone + donkere) (ρcrit komt nog ter sprake)

→ → 9. uitdijing heelal v = H0D ρcrit = 3H02 / 8πG Ω* = ρ* / ρcrit λ0 roodverschuiving z = (λ0 – λ) / λ → λ hoeveelheid (donkere) materie (ΩG) en donkere energie (ΩΛ) beinvloedt verloop expansie in de tijd.

flux = lichtkracht L / (4πD2) → D gegeven z → verlopen tijd → afstand ; vergelijk deze afstand met de gemeten afstand van standaard lichtbronnen, i.e. bronnen met bekende L (bijv. cepheiden, SN 1a, helderste lid cluster): flux = lichtkracht L / (4πD2) → D Hieruit: H0 = 72 ± 8 km/s/Mpc ΩΛ > 0

10. kernreacties tijdens oerknal - in den beginne iets meer materie dan antimaterie; na an- nihilatie bestaat het heelal uit p, n, e + straling (+ DM,DE) - als T < 109 K begint kernfusie, en is n / (n + p)  0.13 14 p op 2 n = 12 p op 1 He (want 1 He = 2p+2n) deze voorspelde He abon-dantie klopt goed met de waarnemingen

( ( ( ( de (kleine) hoeveelheid D, 3He en 7Li hangt af van = nu dichtheid straling dichtheid n + p dichtheid straling dichtheid n + p toen ( ( = hieruit Ωn+p = ρn+p / ρcrit = 0.03 ± 0.015 atomen terwijl ΩL = ρL / ρcrit  0.005 - conclusie: er zijn bijna 10 x zoveel atomen in het heelal als we zien ! wat is het?? bruine dwergen, oude witte dwergen, koud gas, zwarte gaten, .. ??

11. vorming van stelsels - kies ΩG (0.3, voorn. CDM) ΩΛ (0.7, kosm. const.) kies δρ van atomen en CDM δρ / ρ = (δT / T)CMB  10-5 CDM → atomen: stelsel- vorming komt niet op gang; CDM is onmisbaar CDM → HDM: te weinig kleine structuren kubus met L = 340 Mpc CDM in plak van L / 10 , nú

12. de hoekcorrelaties in de CMB gemiddelde aftrekken: δT = T - ‹T› dan de ‘voorgronden’ ‹δT(1) δT(2)› middelen over alle richtingen 1,2 die hoek θ insluiten

piek bij θ  0.60; uit hoogten en posities pieken volgen Ω’s p+e+straling (snelle golven) koude DM (langzame golven) d recombinatie na 400.000 jaar, als T = 3000 K δT = - + - straling vertrekt in alle richtingen; T-modulatie maximaal als d = v x 400.000 jaar = λ / 2 piek bij θ  0.60; uit hoogten en posities pieken volgen Ω’s

n.b. gevolgen voor de kosmologie Huidige situatie p, n , e (atomen) hiervan zien we 0.005 (ΩL) rest: zoeken! (ijl gas, macho’s, ..) 0.04 ΩG (Ωm) onbekende materievorm ‘koud’ (WIMPs, ..) DM 0.23 ΩΛ DE 0.73 kosmologische constante (quantum-zwaartekracht) n.b. gevolgen voor de kosmologie

12. zoeken naar gewone donkere materie NGC 6946 CDM simulatie + macho’s RDCS 1252.9-2927

stel melkweghalo bestaat uit neutralino’s, het lichtste 13. zoeken naar wimps stel melkweghalo bestaat uit neutralino’s, het lichtste supersymmetrische deeltje, massa  50 mp (?) - 5000 wimps per m3; snelheid tussen 250 en 600 km/s - neutralino voelt alleen zwakke kernkracht (+ zwaartekr.) wimp terugstoot (warmte, licht, lading) ongeveer 1 – 10-5 events per kg per dag; jaarlijkse en dagelijkse modulatie - nodig: zeer lage achtergrond en grote detectormassa

- zo’n 20 groepen aktief; bijv. CRESST in Gran Sasso