Waaruit bestaat donkere materie?

Presentatie over: "Waaruit bestaat donkere materie?"— Transcript van de presentatie:

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

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 1932 Fritz Zwicky: clusters van melkwegstelsels Ze draaien te snel om elkaar Verklaring: er is donkere materie

4 Rotatie van melkwegstelsels
Rotatiesnelheid vrijwel onafhankelijk van positie

5 Andromeda Nevel in Ultraviolet

6 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?

7 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

8 Hydrodynamica 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

9 Sir James Hopwood Jeans Carl H. Gibson * 1935 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

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

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

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

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

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

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

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

17

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

19 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

20 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)

21 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 = r = 3.2 miljoen lichtjaar Dat is best wel groot …

22 Incomplete Einstein ring op 143 kpc Abell 1689 Centrum

23 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 zonsmassa’s. Ca 100 miljoen van die clusters om ons melkwegstelsel zichtbaar als bolvormige sterrenhopen. Stervorming in fases in bolvormige sterrenhopen verklaard: nieuwe sterren gevormd uit aanwezige bevroren gasklompen. Dwergstelselprobleem ( sterren, veel donkere materie) opgelost: Jeans cluster met nog veel bevroren gasbollen

24 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).

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

26 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

27

28 KArlsruhe TRItium Neutrino Experiments

29