Het universum bestaat uit ten minste twee soorten materie. In de eerste plaats is er het materiaal dat we kunnen detecteren, wat astronomen 'baryonische' materie noemen. Het wordt beschouwd als "gewone" materie omdat het is gemaakt van protonen en neutronen, die kunnen worden gemeten. Baryonische materie omvat sterren en sterrenstelsels, plus alle objecten die ze bevatten.
Er zijn ook "dingen" daar in het universum die niet kunnen worden gedetecteerd door normale observatiemiddelen. Toch bestaat het omdat astronomen zijn zwaartekrachteffect op baryonische materie kunnen meten. Astronomen noemen dit materiaal "donkere materie" omdat het goed donker is. Het reflecteert of zendt geen licht uit. Deze mysterieuze vorm van materie biedt een aantal grote uitdagingen voor het begrijpen van heel veel dingen over het universum, die teruggaan tot het begin, zo'n 13,7 miljard jaar geleden.
The Discovery of Dark Matter
Decennia geleden ontdekten astronomen dat er niet genoeg massa in het universum was om dingen zoals de rotatie van sterren erin te verklaren
sterrenstelsels en de bewegingen van sterrenhopen. Massa beïnvloedt de beweging van een object door de ruimte, of het nu een melkwegstelsel of een ster of een planeet is. Afgaande op de manier waarop sommige sterrenstelsels roteerden, bleek bijvoorbeeld dat er ergens meer massa was. Het werd niet gedetecteerd. Het ontbrak op de een of andere manier in de massa-inventaris die ze met behulp van sterren en nevels verzamelden om een sterrenstelsel een bepaalde massa toe te wijzen. Dr. Vera Rubin en haar team observeerden sterrenstelsels toen ze voor het eerst een verschil opmerkten tussen de verwachte rotatiesnelheden (gebaseerd op geschatte massa's van die sterrenstelsels) en de werkelijke snelheden die ze waarnamen.Onderzoekers gingen dieper in op het uitzoeken waar alle ontbrekende massa was gebleven. Ze dachten dat misschien ons begrip van natuurkunde, d.w.z. algemene relativiteitstheorie, was gebrekkig, maar te veel andere dingen klopten niet. Dus besloten ze dat de massa er misschien nog was, maar gewoon niet zichtbaar.
Hoewel het nog steeds mogelijk is dat we iets fundamenteels missen in onze zwaartekrachttheorieën, is de tweede optie voor natuurkundigen smakelijker geweest. Uit die openbaring ontstond het idee van donkere materie. Er is waarnemingsbewijs voor rond sterrenstelsels en theorieën en modellen wijzen op de betrokkenheid van donkere materie vroeg in de vorming van het universum. Astronomen en kosmologen weten dus dat het daar is, maar weten nog niet wat het is.
Cold Dark Matter (CDM)
Dus, wat zou donkere materie kunnen zijn? Tot nu toe zijn er alleen theorieën en modellen. Ze kunnen in drie algemene groepen worden ingedeeld: hete donkere materie (HDM), warme donkere materie (WDM) en koude donkere materie (CDM).
Van de drie is CDM al lang de leidende kandidaat voor wat deze missende massa in het universum is. Sommige onderzoekers geven nog steeds de voorkeur aan een combinatietheorie, waarbij aspecten van alle drie soorten donkere materie samen bestaan om de totale ontbrekende massa te vormen.
CDM is een soort donkere materie die, als deze bestaat, langzaam beweegt in vergelijking met de snelheid van het licht. Het wordt verondersteld aanwezig te zijn in het universum vanaf het allereerste begin en heeft zeer waarschijnlijk de groei en evolutie van sterrenstelsels beïnvloed. evenals de vorming van de eerste sterren. Astronomen en natuurkundigen denken dat het waarschijnlijk een exotisch deeltje is dat nog niet is ontdekt. Het heeft zeer waarschijnlijk een aantal zeer specifieke eigenschappen:
Het zou de interactie met de elektromagnetische kracht moeten missen. Dit is vrij duidelijk omdat donkere materie donker is. Daarom heeft het geen interactie met, reflecteert of straalt het geen enkele vorm van energie in het elektromagnetische spectrum uit.
Elk kandidaat-deeltje dat koude donkere materie vormt, moet er echter rekening mee houden dat het moet interageren met een zwaartekrachtsveld. Voor het bewijs hiervan hebben astronomen opgemerkt dat ophopingen van donkere materie in clusters van sterrenstelsels een zwaartekracht beïnvloeden op licht van verder gelegen objecten die toevallig passeren. Deze zogenaamde "zwaartekracht lenseffect" is vaak waargenomen.
Kandidaat Koude Donkere Materie Voorwerpen
Hoewel geen bekende materie aan alle criteria voor koude donkere materie voldoet, zijn ten minste drie theorieën naar voren gebracht om CDM te verklaren (als ze bestaan).
- Zwak interactie tussen massieve deeltjes: Ook gekend als WIMP's, deze deeltjes voldoen per definitie aan alle behoeften van CDM. Er is echter nooit een dergelijk deeltje gevonden. WIMP's zijn de verzamelnaam geworden voor alle kandidaten voor koude donkere materie, ongeacht waarom het deeltje wordt verondersteld te ontstaan.
- Axions: Deze deeltjes bezitten (althans marginaal) de noodzakelijke eigenschappen van donkere materie, maar zijn om verschillende redenen waarschijnlijk niet het antwoord op de vraag naar koude donkere materie.
- MACHO's: Dit is een acroniem voor Enorme compacte halo-objecten, dat zijn objecten zoals zwarte gaten, oud neutronensterren, bruine dwergen en planetaire objecten. Deze zijn allemaal niet lichtgevend en massief. Maar vanwege hun grote afmetingen, zowel qua volume als massa, zouden ze relatief gemakkelijk te detecteren zijn door gelokaliseerde zwaartekrachtinteracties te volgen. Er zijn problemen met de MACHO-hypothese. De waargenomen beweging van sterrenstelsels is bijvoorbeeld uniform op een manier die moeilijk te verklaren zou zijn als MACHO's de ontbrekende massa zouden leveren. Bovendien zouden sterrenhopen een zeer uniforme verdeling van dergelijke objecten binnen hun grenzen vereisen. Dat lijkt heel onwaarschijnlijk. Ook het enorme aantal MACHO's dat redelijk groot zou moeten zijn om de ontbrekende massa te verklaren.
Op dit moment heeft het mysterie van donkere materie nog geen voor de hand liggende oplossing. Astronomen blijven experimenten ontwerpen om naar deze ongrijpbare deeltjes te zoeken. Wanneer ze erachter komen wat ze zijn en hoe ze door het universum zijn verspreid, hebben ze een nieuw hoofdstuk in ons begrip van de kosmos ontsloten.