Astronomen ontdekken een nieuw verband tussen donkere materie en de klonten van het heelal

Dat blijkt uit een studie die vandaag is gepubliceerd in Tijdschrift voor kosmologie en astrofysicaOnderzoekers van de Universiteit van Toronto hebben een theoretische doorbraak onthuld die zowel de onzichtbare aard van donkere materie als de grootschalige structuur van het universum, bekend als het kosmische web, kan verklaren. Het resultaat legt een nieuw verband tussen deze twee al lang bestaande problemen in de astronomie en opent nieuwe mogelijkheden om het universum te begrijpen.

Het onderzoek suggereert dat het ‘klontvormingsprobleem’, dat draait om een ​​onverwacht gelijkmatige verdeling van materie op grote schaal door het universum, een teken kan zijn dat donkere materie is samengesteld uit hypothetische ultralichte deeltjes die axions worden genoemd. De implicaties van het bewijzen van het bestaan ​​van moeilijk te detecteren assen reiken veel verder dan het begrijpen van donkere materie en zouden fundamentele vragen over de aard van het universum zelf kunnen beantwoorden.

“Als bevestigd door toekomstige telescoopwaarnemingen en laboratoriumexperimenten, zal het vinden van axion donkere materie een van de belangrijkste ontdekkingen van deze eeuw zijn”, zegt hoofdauteur Keir Rogers, een Dunlap-fellow in het Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics in the College of Arts en astrofysica. Wetenschappen aan de Universiteit van Toronto.

“Tegelijkertijd wijzen onze resultaten op een verklaring waarom het universum minder klonterig is dan we dachten, een observatie die de afgelopen tien jaar meer uitgesproken is geworden en die onze theorie van het universum momenteel onzeker maakt.”

Donkere materie, die 85% van de massa van het universum uitmaakt, is onzichtbaar omdat het geen interactie heeft met licht. Wetenschappers bestuderen de effecten van zwaartekracht op zichtbare materie om te begrijpen hoe deze in het universum is verdeeld.

Een leidende theorie stelt dat donkere materie is gemaakt van axions, in de kwantummechanica beschreven als “wazig” vanwege hun golfachtige gedrag. In tegenstelling tot discrete puntachtige deeltjes kunnen axions langere golflengten hebben dan hele sterrenstelsels. Deze vaagheid beïnvloedt de samenstelling en verdeling van donkere materie, wat zou kunnen verklaren waarom het universum minder klonterig is dan zou worden verwacht in een universum zonder assen.

Dit gebrek aan klontering is waargenomen in surveys van grote sterrenstelsels, waarmee de andere heersende theorie dat donkere materie uitsluitend bestaat uit zwak op elkaar inwerkende zware subatomaire deeltjes die WIMP’s worden genoemd, wordt uitgedaagd. Ondanks experimenten zoals de Large Hadron Collider is er geen bewijs gevonden voor het bestaan ​​van WIMP’s.

“Als in de wetenschap ideeën worden ontrafeld, worden nieuwe ontdekkingen gedaan en oude problemen opgelost”, zegt Rogers.

Voor de studie, het onderzoeksteam – geleid door Rogers, en dat bestaat uit leden van de onderzoeksgroep van universitair hoofddocent Renee Hluczek aan het Dunlap Institute, evenals van de University of Pennsylvania, het Institute for Advanced Study, Columbia University en King’s College London – analyseerde waarnemingen van overgebleven licht van de oerknal, ook wel bekend als de achtergrond, kosmische microgolven (CMB), verkregen uit de onderzoeken van Planck 2018 en de Atacama Cosmology and South Pole Telescope.

De onderzoekers vergeleken deze CMB-gegevens met gegevens voor clusters van sterrenstelsels van de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), die de locaties van bijna een miljoen sterrenstelsels in het nabije universum in kaart brengt. Door de verdeling van sterrenstelsels te bestuderen, die het gedrag van donkere materie onder zwaartekracht weerspiegelen, maten ze fluctuaties in de hoeveelheid materie door het universum en bevestigden ze de lagere massa ervan in vergelijking met voorspellingen.

De onderzoekers voerden vervolgens computersimulaties uit om het verschijnen van overgebleven licht en de verdeling van sterrenstelsels in een universum met lange golflengten van donkere materie te voorspellen. Deze berekeningen komen overeen met CMB-gegevens van de oerknal en clusteringgegevens van sterrenstelsels, wat het idee ondersteunt dat vage assen het clusterprobleem zouden kunnen verklaren.

Toekomstig onderzoek omvat grootschalige enquêtes om miljoenen sterrenstelsels in kaart te brengen en nauwkeurige metingen van clustering te bieden, inclusief waarnemingen in het komende decennium met het Rubin Observatory.

De onderzoekers hopen hun theorie te vergelijken met directe waarnemingen van donkere materie door middel van zwaartekrachtlenzen, een effect waarbij de agglomeratie van donkere materie wordt gemeten door hoe licht van verre sterrenstelsels wordt gebogen, vergelijkbaar met een gigantisch vergrootglas. Ze zijn ook van plan om te onderzoeken hoe sterrenstelsels gas de ruimte in stoten en hoe dit de verspreiding van donkere materie beïnvloedt om hun bevindingen verder te bevestigen.

Het begrijpen van de aard van donkere materie is een van de meest prangende fundamentele vragen en de sleutel tot het begrijpen van de oorsprong en toekomst van het universum.

Op dit moment hebben wetenschappers geen enkele theorie die tegelijkertijd zowel de zwaartekracht als de kwantummechanica zou verklaren – de theorie van alles. De meest populaire theorie van alles in de afgelopen decennia is de snaartheorie, die een ander, lager niveau van kwantumniveau stelt, waar alles bestaat uit excitaties van snaarachtige energie. Volgens Rogers zou de ontdekking van een mysterieus axiaal deeltje een aanwijzing kunnen zijn dat de snaartheorie van alles klopt.

“We hebben nu de tools die ons, zelfs in het komende decennium of zo, eindelijk in staat kunnen stellen experimenteel iets te begrijpen over een eeuwenoud mysterie van donkere materie – en dat zou ons hints kunnen geven voor antwoorden op grotere theoretische vragen”, zegt Rogers. . “De hoop is dat de raadselachtige elementen van het universum oplosbaar zijn.”