Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Boormeester

Opmerking moderator

Afgesplitst van dit topic

Quote: De ontdekking van slechts een donkere materie deeltje zou Verlinde's theorie naar de prullenbak kunnen verwijzen.

Is een neutrino niet een donker materie deeltje?

Michel Uphoff

Als ik de vraag iets anders stel: Kunnen neutrino's verantwoordelijk zijn voor de kennelijk ontbrekende massa in het heelal, dan is het antwoord daarop: Wellicht.

Er is een hypothetisch deeltje, de 'steriele neutrino' geopperd. Een deeltje, dat een massa van ongeveer 7 KeV zou kunnen hebben en dus veel zwaarder is dan de drie neutrinosmaakjes die we nu kennen, en dat niet beïnvloed zou worden door de zwakke kracht. Deze deeltjes zouden dan verantwoordelijk kunnen zijn voor de massa van donkere materie. Er is echter geen bewijs dat steriele neutrino's bestaan. Zie o.m. dit artikel

Ook is er het enorme aantal neutrino's dat vrijkwam kort na de oerknal. Hun snelheid is met het uitdijen en afkoelen van het heelal sterk gedaald. Deze zogenoemde 'relic' neutrino's zouden een niet relativistische snelheid van pakweg enige duizenden kilometers per seconde hebben. Ruim onvoldoende om hun geringe massa relativistisch 'op te krikken' (gamma is bij 3000 km/s slechts 1,00005).
Maar hun aantal is enorm; er is berekend dat iedere cm³ in het heelal 150 relic neutrino's bevat (er zijn ook andere schattingen, tot 300 per cm³). De rustmassa van een neutrino ligt ergens rond maximaal 5,35.10^-37 kg zodat iedere cm³ ongeveer 8.10^-35 kg aan relic neutrino's zou bevatten. De hoeveelheid baryonische ('gewone') materie in het heelal is met naar schatting 4,55.10^-34 kg/cm³zes keer zo groot, en deze materie is verantwoordelijk voor ongeveer 4,9% van de totale massa. De relic neutrino's zouden dan in totaal slechts bijdragen aan 0,85% van de totale massa, terwijl er 24% gevonden moet worden.
Dit allemaal onder de aanname dat de rustmassa van neutrino's ongeveer 0,3 eV is, maar (veel) lager is ook goed mogelijk. Al met al lijken deze relic neutrino's niet de bron van donkere materie te kunnen zijn.

Een andere benadering is, dat als de bekende neutrino's met hun uitermate geringe rustmassa een zeer hoge snelheid zouden hebben, ze door relativistische effecten voldoende zwaartekrachtsinvloed kunnen hebben. Deze zogenoemde 'hete' donkere materie wordt echter zeer onwaarschijnlijk geacht omdat de hoge snelheid van de deeltjes de vorming van kleinere structuren in het heelal onmogelijk zou maken. Zo'n intense 'wind' van supersnelle neutrino's zou ieder begin van massaconcentratie uit elkaar blazen, ook al is interactie tussen materie en een neutrino heel zeldzaam. Hiernaast stelt naar verwachting de hoeveelheid 'hete' neutrino's die uitgezonden worden door sterren erg weinig voor in verhouding tot de 'relic' neutrino's van de oerknal.

Daarom wordt het breedst ondersteunde kosmologische model het Lambda Cold Dark Matter model (ΛCDM) genoemd. De donkere materie moet 'koud' zijn, d.w.z. traag bewegend, ver onder 'hete' relativistische snelheden die die van het licht benaderen. Een dergelijk deeltje moet een beduidende rustmassa hebben, zodat het ook met lage snelheid nog steeds voldoende massa vertegenwoordigt. De WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) is de tot nu toe de meest genoemde kandidaat voor de donkere materie. Zoals uit berichten in het kosmologie topic op te maken valt, wordt een dergelijk deeltje maar niet gevonden.

Boormeester

U stelde dat een enkel donker materie deeltje de theorie van Verlinde onderuit zou halen. Welnu naar mijn idee is het neutrino deeltje zo'n donker materie deeltje. Het is het enig bekende donker materie deeltje dat kan reageren met zichtbare materie.
Echter u doet alsof het neutrino het enige donker materie deeltje is dat zou bestaan. Uit de kosmologie is echter duidelijk, vanwege de grote massa die er zou moeten zijn, dat er ook nog andere donkere deeltjes zouden moeten zijn (zie ook metingen aan het overschot in de ruimte van positronen).
Donkere materie wisselwerkt nu eenmaal slecht met materie dat lading heeft (zichtbare materie, elektrische/kleur lading). We weten dat al van neutrino's en wordt ook bevestigd door de botsingen van sterrenstelsels onderling waarbij de donkere materie ongeschonden overleeft.

Michel Uphoff

U stelde dat een enkel donker materie deeltje de theorie van Verlinde onderuit zou halen. Welnu naar mijn idee is het neutrino deeltje zo'n donker materie deeltje.

Ik doelde op een nieuw donker materie deeltje, met een forsere rustmassa zoals de Wimp, steriele neutrino, supersymmetrische tegenhanger van het neutrino en dergelijke kandidaten. Als een dergelijk deeltje aangetoond zou worden kan de theorie van Verlinde, die er immers toe leidt dat er geheel geen donkere materie bestaat, de prullenbak in.

Uit de kosmologie is echter duidelijk, vanwege de grote massa die er zou moeten zijn, dat er ook nog andere donkere deeltjes zouden moeten zijn.

Het is duidelijk dat iets vreemds aan de hand is met de grootte van de zwaartekracht van (onder meer) sterrenstelsels. Dat is wat er duidelijk is, en meer niet. Er is een voorkeur voor een verklaring door de extra massa van nog onbekende fundamentele deeltjes, maar dat is geen wet van Meden en Perzen.

Er zijn een aantal onderzoeksrichtingen:

Meer massa dan zichtbaar is: Dit valt dan weer uiteen in een aantal mogelijke bronnen, waaronder nog onbekende donkere materiedeeltjes, maar ook gewone 'baryonische' materie die niet gezien wordt zoals Macho's, (klik) of enorme aantallen donkere resten van sterren, en andere niet of zeer moeizaam te detecteren gewone materie. Daarnaast worden de hierboven genoemde primordial black holes geopperd. Mogelijk is er sprake van een combinatie van nog niet waargenomen baryonische materie.
Aangepaste gravitatie: hypotheses die een verklaring trachten te geven zonder dat er sprake hoeft te zijn van enige onzichtbare massa omdat de gravitatiewetten subtiele aanpassing behoeven, zoals de Modified Newton Dynamics hypotheses (klik)
Fundamentele wijzigingen in de fysica: Verlinde komt naar zijn zeggen met een uitgewerkte hypothese die zulke fundamentele wijzigingen van ons inzicht zou vereisen dat het ontbreken van de noodzaak van donkere materie slechts 'bijzaak' zou zijn.

Boormeester

Tja, uw eigen bericht geeft een plaatje dat donkere materie geen interactie geeft (botsende sterrenstelsels). We hoeven dus niet te zoeken naar baryonische materie want die geeft wel interactie.
Het is duidelijk dat neutrino's deel uit maken van donkere materie en net zoals bij zichtbare materie is er geen reden te veronderstellen dat er geen meerdere deeltjes zouden zijn zonder lading.

Michel Uphoff

We hoeven dus niet te zoeken naar baryonische materie want die geeft wel interactie.

Dat is een misvatting, zie bericht 34 van het kosmologie topic.

Sterren zullen nauwelijks botsen, hun onderlinge afstand is zo enorm dat twee clusters zich dwars door elkaar kunnen bewegen zonder een noemenswaardig effect op hun snelheid. Dat geldt niet voor de gassen tussen de sterren, die zullen botsen, afremmen en opgloeien.

Sterrenstelsel die bijvoorbeeld vergeven zijn van die middelzware oer black holes, of die in hun halo's enorme hoeveelheden Machos huisvesten, of stelsels waarin miljarden sintels van gestorven sterren zich ophouden zullen dwars door elkaar heen kunnen trekken zonder noemenswaardige botsingen van deze objecten. Al deze baryonische materie is niet of nauwelijks stralend en niet of nauwelijks waarneembaar (op hun massa-effecten na) en er is geen sprake van interactie.

Het is duidelijk dat neutrino's deel uit maken van donkere materie

In voorgaande berichten heb ik getracht je duidelijk te maken dat de drie neutrino smaakje die wij kennen hoogstwaarschijnlijk niet verantwoordelijk kunnen zijn voor de enorme massa die de hypothetische donkere materie zou moeten hebben. Als relic neutrino's al een onderdeel van de niet waarneembare materie zouden vormen, is het hoogstwaarschijnlijk een vrijwel te verwaarlozen bijdrage zoals ik eerder schreef.

Daar mag jij anders over denken, maar dat is niet conform de huidige kennis en heeft geen wetenschappelijke grond. Was die grond er wel, dan zou veel van het intensieve onderzoek dat nu plaats vindt overbodig zijn.

Boormeester

Het is slechts een kwestie van logisch redeneren: er wordt duidelijk donkere materie waargenomen (materie zonder lading) en men kan er zelfs afbeeldingen van maken mbv botsende sterrenstelsels. We kennen een deeltjes soort dat geen lading heeft: het neutrino.
We kunnen ook beredeneren/meten dat neutrino's niet voor de totale massa kunnen instaan wat betreft donkere materie. Logische conclusie: er moeten dus andere, zwaardere deeltjes bestaan zonder lading.
Dat is helemaal niet onlogisch. Zichtbare materie bestaat ook uit verschillende families.

Thionyl

5% zichtbare massa? Hoe weten ze dat?

Michel Uphoff

@ boormeester: er wordt duidelijk donkere materie waargenomen

Nee die wordt niet waargenomen. De afbeeldingen van botsende sterrenstelsels worden daar ingekleurd waar de zwaartekracht zich manifesteert op grond van de verbuiging van het achtergrondlicht.

Ik laat het verder hier bij, er is wat mij betreft in voorgaande berichten genoeg duidelijk gemaakt m.b.t. de mogelijke oorzaken.

@Thionyl: 5% zichtbare massa? Hoe weten ze dat?

Het probleem begon duidelijk te worden toen men in staat werd de omloopsnelheid van sterren rond het centrum van sterrenstelsels te meten. In principe zou die omloopduur afhankelijk moeten zijn van de afstand tot het massacentrum van het stelsel, en wel volgens de bekende Keplerwet dat de kwadraten van de omloopduur proportioneel zijn aan de derde macht van de afstand.

Voorbeeldje: Omloopduur Aarde 1 (jaar), afstand tot de Zon 1 (Astronomische Eenheid). We zien Jupiter in 11,86 jaar een baantje rond de Zon draaien, dan moet de afstand in AE gelijk zijn aan

\(\sqrt[3]11,86^2} = 5,2 \)

Jupiter staat dus 5,2 keer zo ver van de Zon als de Aarde, op 780 miljoen km van het massacentrum.

Zo kan je voor alle planeten, gegeven de vaste massa van de Zon, op grond van hun omloopduur hun onderlinge afstandsverhoudingen berekenen, of andersom, op grond van hun afstand de omloopduur bepalen.

Deze zwaartekrachtwet zou ook toepasbaar moeten zijn op de afstand en omloopduur van sterren in een sterrenstelsel. Hier ligt het iets complexer omdat in tegenstelling tot het zonnestelsel er niet een enorme bijna puntvormige centrale massa is, maar een wolk van materie die zich over een groot gebied uitstrekt, ook dit valt echter goed te berekenen.

Het blijkt echter dat de sterren in de buitengebieden van stelsels veel sneller rond de kern draaien dan volgens deze gravitatiewet mogelijk is. Hier een plot van de rotatiesnelheid van de sterren in de Andromedanevel volgens de Kepler wet (gestippeld) en de werkelijke snelheid:

: andromeda dark matter.jpg (39.01 KiB) 1419 keer bekeken

Bron: M. Roberts, National Academies Press.

Tot ongeveer 2/3 van de diameter van het stelsel zijn waarneming en wet redelijk met elkaar in overeenstemming, maar daarbuiten vermindert de omloopsnelheid nauwelijks. Sterren trekken daar baantjes met een zodanig hoge snelheid, dat ze al lang uit het stelsel geslingerd zouden moeten zijn. Dat doet vermoeden dat er een flinke hoeveel massa buiten de hier zichtbare schijf aanwezig moet zijn, onzichtbare extra massa (donkere materie) die de sterren in de buitengebieden in hun omloopbaan houdt. Ga je er aan rekenen, dan blijkt dat die onzichtbare massa ruwweg 5 keer zo zwaar is als de zichtbare massa.

Tezamen vormen baryonische materie (5%) en donkere materie (25%) ongeveer 30% van de massa van het heelal, de overige ruwweg 70% wordt toegeschreven aan donkere energie, maar dat is een heel ander hoofdstuk.

Er zijn ook andere methoden om 'donkere materie' aan te tonen: Massa kromt de ruimtetijd, en veroorzaakt vervormingen in het beeld van achter een zwaar stelsel gelegen lichtbronnen, de zogenoemde Einstein lensing (zie ook dit topic) .

Nauwkeurige bestudering van de vervorming van achtergrondbeelden geeft inzicht in de hoeveelheid massa en de verdeling daarvan in de voorgrond. De extra verbuiging van het achtergrondlicht verraadt de zwaartekracht ter plekke in het voorgrondstelsel. Hier een aantal sterrenstelsels waarbij aan de hand van de verbuiging van het achtergrondlicht is bepaald welke zwaartekrachtinvloed er heerst, ze is in blauw rond de roze sterrenstelsels ingetekend:

: Astronomers-Find-Clues-that-May-Help-Identify-Dark-Matter.jpg (56.26 KiB) 1419 keer bekeken

Bron: Nasa, Hubble en Chandra ruimtetelescopen.

De hamvraag is of er werkelijk sprake is van extra onzichtbare massa (onbekende deeltjes met een aanmerkelijke rustmassa, macroscopische maar donkere objecten, zwarte gaten of welke verschijningsvorm dan ook) die zich dan kennelijk in de buitengebieden van sterrenstelsels ophoudt, of dat er een andere verklaring is voor dit verschijnsel.

Het is niet onmogelijk (maar zeker niet de meest waarschijnlijke optie) dat we de zwaartekrachtwetten waarop dit alles tenslotte is gebaseerd aan zouden moeten passen. Zo is er de MOND hypothese, die vrij subtiele aanpassingen aan de zwaartekrachtwetten voorstelt, waardoor deze op zeer grote afstanden minder verzwakt dan de huidige omgekeerde kwadraten wet. Probleem bij deze hypothese is dat ze niet te verenigen is met de algemene relativiteit.

: n1560_cdm_mond-600x480.gif (15.19 KiB) 1418 keer bekeken

Plot van omloopsnelheid en afstand volgens Newton, MOND en aanwezigheid van extra massa.

Verlinde (zie kosmologie topic) komt deze week met een hypothese die wel heel diep in de fundamenten van de fysica ingrijpt, en niet alleen een verklaring zou geven voor de extra gravitatie, maar ook voor de donkere energie en de versnelde expansie van het heelal. Een behoorlijk extreme claim, die dan ook behoorlijk extreem bewijs vereist.

Vooralsnog is de meest waarschijnlijke kandidaat voor de extra gravitatie een deeltje met een redelijk forse massa, de WIMP. Maar helaas is dat deeltje ondanks intensief speurwerk door veel wetenschappers nog steeds niet gevonden zoals in het kosmologie topic uitgebreid aan de orde is gesteld.

Wellicht (wellicht!) is er bij Cern iets aan het broeien. Daar hebben ze december vorig jaar een bobbel in de grafieken van zowel het CMS als het Atlas instrument gevonden. Die bobbel duidt, als het niet om een statistische glitch gaat, op een zeer zwaar deeltje (750 GeV). Toen ik daar in februari was kon men, ondanks de nog veel te lage betrouwbaarheid van de meting, de opwinding nauwelijks verbergen.

Als (als!) in de nu lopende runs van de large hadron collider het signaal bevestigd wordt tot een voldoende betrouwbaarheid van 5 sigma of meer, dan valt in augustus bij de conferentie in Chicago wereldnieuws te verwachten. Over de aard valt vooralsnog niet veel te zeggen, maar het is niet helemaal uit te sluiten dat dit nu nog hoogst speculatieve deeltje iets met de donkere materie te maken zou kunnen hebben.

Thionyl

Dan nog, hoe bepalen ze dat. Zie allerlei getallen voorbij flitsen, 5% zichtbaar en 30% donkere materie en 65% nog duister????

Kan het zijn dat een hoop materie onderweg is als straling, in welke vorm dan ook??

Boormeester

Uw WIMP deeltje is dus niets anders dan wat ik schreef in bericht nummer 7. Ik ga ervan uit dat een WIMP dan een deeltje is zonder lading.

Michel Uphoff

Dan nog, hoe bepalen ze dat. Zie allerlei getallen voorbij flitsen.

Dat heb ik in het voorgaande nu juist getracht toe te lichten. Lees dat nog eens rustig door, en stel detailvragen waar je het niet begrijpt.
Laat die donkere energie maar even rusten, dat is een totaal ander onderwerp. Laten we ons dus beperken tot die (ruwweg) 25% 'donkere materie' en 5% zichtbare materie.

Kan het zijn dat een hoop materie onderweg is als straling, in welke vorm dan ook??

De straling heeft inderdaad een massa equivalent maar dat stelt vrijwel niets voor, minder dan een honderdste procent. Zie dit overzichtje van de opbouw van de dichtheidsparameter Ω.

Boormeester

Ter info voor Thionyl: Men kan de verdeling van donkere energie, donkere materie en zichtbare materie afleiden uit de minieme fluctuaties in temperatuur van de kosmische achtergrond straling.
Daarbij moet je bedenken dat donkere materie totaal anders evolueert dan zichtbare materie. Het verschil zit hem in lading: kleur en/of elektrisch.
Door lading krijgt een deeltje (massa) potentiële energie naast kinetische energie en rustmassa energie.
Donkere materie bezit dus geen potentiële energie en kan dus daardoor niet samenklonteren en samengestelde delen vormen: zonnen, planeten, planten, dieren, etc.
Doordat deeltjes van de donkere materie geen lading bezitten zijn ze amper waar te nemen. Enkel omdat ze massa hebben hebben ze wisselwerking met zichtbare materie maar zoals je weet is gravitatie uiterst zwak in vergelijking met de elektrische kracht/sterke kracht/zwakke kracht.
Reden waarom neutrino's zo absurd slecht reageren met zichtbare materie deeltjes.
Ze reageren enkel wanneer een neutrino deeltje inderdaad op zijn bewegingspad daadwerkelijk botst met een zichtbaar materie deeltje. Hierbij komt dan natuurlijk de vraag kijken: hoe groot is de afmeting van een neutrino of wellicht een WIMP?

Boormeester

Ik moet bericht 13 iets nuanceren. Gravitatie bezit natuurlijk ook potentiële energie maar kan dat bij samenklonteren amper uitstralen. Een deeltje met lading kan dat wel (EM straling en gluonen). Vergelijk de energie toestanden van het waterstof atoom, elk niveau dichterbij de kern heeft een lager energie niveau waarbij het verschil tussen de schillen wordt uitgestraald.
Zou het waterstof atoom dat niet kunnen dan zou een elektron nooit gebonden kunnen worden door het proton.

Boormeester

Nog iets genuanceerder: als het elektron in een waterstof atoom naar een lagere energie toestand vervalt wordt potentiële energie omgezet in kinetische energie van het elektron (snelheid neemt toe) maar terwijl de snelheid toeneemt straalt het elektron ook EM straling uit totdat het in de nieuwe schil terecht komt.
De potentiële energie is omgezet in kinetische energie en EM straling.
In het dagelijkse leven gebeurt dat niet bij de gravitatie wisselwerking. Daar wordt de potentiële energie volledig omgezet in kinetische energie.
Net is bekend geworden dat zoiets wel gebeurt bij de samensmelting van 2 zwarte gaten: daarbij wordt een gedeelte van de potentiële energie wel omgezet in gravitatie straling. Deze zwaartekrachtsgolven zijn net gemeten. Echter dit doet zich voor onder extreem sterke gravitatie en in ons dagelijkse leven is daar geen sprake van.

Wetenschapsforum

Laatste berichten

Nieuwsberichten

Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?

Re: Bestaat donkere materie uit neutrino's ?