Waaruit bestaat donkere materie? Waaruit bestaat donkere materie? Dr. Theo M. Nieuwenhuizen Instituut voor Theoretische Fysica Universiteit van Amsterdam.

Presentatie over: "Waaruit bestaat donkere materie? Waaruit bestaat donkere materie? Dr. Theo M. Nieuwenhuizen Instituut voor Theoretische Fysica Universiteit van Amsterdam."— Transcript van de presentatie:

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

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

3 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

4 Rotatie van melkwegstelsels Rotatiesnelheid vrijwel onafhankelijk van positie Rotatiesnelheid vrijwel onafhankelijk van positie

5 Andromeda Nevel in Ultraviolet

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

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

8 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 met aardmassa Indien gasbollen samenklonteren ontstaan sterren, Jeans cluster wordt zichtbaar als bolvormige sterrenhoop Jeans cluster wordt zichtbaar als bolvormige sterrenhoop De meeste gasbollen koelen af en bevriezen, hun clusters zijn onzichtbaar

9 Carl H. Gibson * 1935 Carl H. Gibson * 1935 Sir James Hopwood Jeans 1877-1946 100.000.000 Jeans clusters om Melkwegstel, 300 zichtbaar Die clusters vormen de galactische donkere materie. Isotherme dichtheidsverdeling verklaart de grote rotatiesnelheden ver van het centrum Ca 2000 objecten met aardmassa Rudy E. waargenomen in microlensing Schild *1942

10 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

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

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

13 Incomplete Einstein ring op 100/h kpc Abell 1689 Centrum Donkere materie werkt als kristallen bol

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

15

16 Abell 370 370Sterkste gravitatie -lens Hubble, na de laatste reparatie mei 2009

17 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

18 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 uit Abell 1689 cluster: Massa tussen 0,2 eV en 2 eV wordt gevonden in Karlsruhe (2012)

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

20 Incomplete Einstein ring op 143 kpc Abell 1689 Centrum

21 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 clusters van ca 100.000 zonsmassa’s. Ca 100 miljoen van die clusters om ons melkwegstelsel. Ca 300 zichtbaar als bolvormige sterrenhopen. Dwergstelselprobleem (10.000 sterren, veel donkere materie) opgelost: Daar zitten nog veel donkere clusters

22 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).

23 Do non-relativistic neutrinos constitute the dark matter? Th. M. N. Europhysics Letters 86 (2009) 59001

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

25

26 KArlsruhe TRItium Neutrino Experiments

27