211service.com
Het ongelooflijke mysterie van de donkere materie: waarom astronomen zeggen dat het in actie ontbreekt
Astronomen hebben een probleem. Telkens wanneer ze de grootschalige structuur van het universum bestuderen, wordt het al snel duidelijk dat de hoeveelheid zichtbare materie onmogelijk genoeg zwaartekracht kan genereren om de structuren die ze kunnen zien bij elkaar te houden. Dingen zoals clusters van sterrenstelsels en zelfs sterrenstelsels zelf zouden uit elkaar moeten vliegen gezien de hoeveelheid gewone materie die ze bevatten.
Iets anders moet deze dingen bij elkaar houden. Dus hebben astronomen het idee van donkere materie verzonnen - mysterieus, onzichtbaar en niet-interactief materiaal dat het universum vult en de zwaartekracht genereert die nodig is om alles bij elkaar te houden.
Dit is geen klein probleem dat een kleine hoeveelheid extra massa vereist. Het probleem is enorm. Volgens de laatste foto van de grootschalige structuur van het heelal van de Planck-ruimtemissie, maakt gewone zichtbare materie slechts 5 procent uit van de totale massa/energie van het heelal, terwijl donkere materie 27 procent uitmaakt (de rest is de nog mysterieuzere donkere energie).
Om de cijfers te laten werken, vertellen astrofysici ons dat ons sterrenstelsel voor minstens 80 procent uit donkere materie moet bestaan.
Dat betekent dat ons zonnestelsel in het spul zou moeten zwemmen. Natuurkundigen hebben inderdaad berekend dat deeltjes donkere materie met een snelheid van 100.000 keer per jaar in elke mens op aarde zouden moeten inslaan, zoals we vorig jaar zagen.
Maar dat roept een belangrijke vraag op. Als we door een dikke zee van donkere materie ploegen, zoals astrofysici suggereren, waarom zien we daar dan geen bewijs van?
De meeste donkeremateriedetectoren werken door te zoeken naar bewijs van de botsingen die donkere materie moet maken met gewone materie. Een paar van deze experimenten zeggen dat ze voorlopig bewijs hebben gevonden voor deze botsingen.
Maar er is een andere manier om naar donkere materie te zoeken - door de zwaartekrachtseffecten op het zonnestelsel zelf. Als de zon is omgeven door een dikke soep van donkere materie, zouden we de invloed van de zwaartekracht op de banen van de planeten, manen en asteroïden moeten kunnen zien.
Vandaag hebben Nikolay Pitjev van de St. Petersburg State University en Elena Pitjeva van het Institute of Applied Astronomy in St. Petersburg, beide in Rusland, de meest gedetailleerde reeks metingen van planetaire banen ooit gebruikt om deze vraag te bestuderen. Hun conclusie is dat het zwaartekrachteffect van donkere materie op het zonnestelsel verwaarloosbaar is.
Pitjev en Pitjeva hebben een indrukwekkende dataset samengesteld bestaande uit zo'n 677.000 metingen van planetaire posities die sinds 1910 zijn genomen. Deze omvatten optische metingen van observatoria op aarde, variërend van metingen van verschillende ruimtevaartuigen zoals Cassini bij Saturnus en de Mars en Venus Express-missies plus verschillende Russische radarmetingen van planetaire posities genomen tussen 1961 en 1995.
Deze gegevens zijn de laatste jaren steeds nauwkeuriger geworden. De gegevens van Cassini geven bijvoorbeeld de afstand bij Saturnus tot op een meter of zo.
Astrofysici hebben deze metingen gebruikt om het gedrag van het zonnestelsel te modelleren, rekening houdend met de verstoringen veroorzaakt door de grote planeten, de maan, de 301 grootste asteroïden, de andere asteroïden gemodelleerd als een uniforme ring, de 21 grootste trans-Neptuniaanse objecten en spoedig.
Dit alles in aanmerking genomen, zochten Pitjev en Pitjeva naar afwijkende zwaartekrachtseffecten die het gevolg zouden kunnen zijn van donkere materie. Als er donkere materie in het zonnestelsel aanwezig is, dan zou dit moeten leiden tot wat extra zwaartekrachtsinvloed op alle lichamen, zeggen ze.
Het raadselachtige nieuws is dat Pitjev en Pitjeva in hun analyse geen bewijs van dit spul vinden. Als het er is, moet het effect kleiner zijn dan de fouten in de gegevens.
Om aan deze limiet te voldoen, berekenen ze inderdaad dat de hoeveelheid donkere materie in de baan van Saturnus klein moet zijn. De massa van donkere materie in de bol binnen de baan van Saturnus zou minder dan 1,7 10^−10M⊙ moeten zijn, zeggen ze. Dat is ongeveer de massa van een grote asteroïde.
Dus astronomen blijven achter hun oren krabben. Aan de ene kant zeggen ze dat donkere materie ons melkwegstelsel bij elkaar moet houden met een ondeugdelijke zwaartekracht. Anderzijds is het zwaartekrachteffect op het zonnestelsel verwaarloosbaar. Er moet iets worden gegeven.
Dit probleem van de tegenstrijdige effecten van donkere materie op verschillende schalen verandert snel in het meest fascinerende en urgente probleem in de natuurkunde en astronomie.
Onderzoekers geven momenteel veel geld uit om gigantische experimenten te ontwerpen, te bouwen en uit te voeren op zoek naar donkere materie in onze omgeving. En toch suggereert het bewijs dat al is verzameld uit andere bronnen, zoals deze analyse van Pitjev en Pitjeva, dat deze investering een zeer slecht rendement kan opleveren.
Dat weerhoudt ze er niet van om te kijken en dat hoeft ook niet. Maar het probleem van de donkere materie zal de komende maanden en jaren waarschijnlijk voor veel controverse zorgen.
Referentie: arxiv.org/abs/1306.5534 : Beperkingen op donkere materie in het zonnestelsel