Er is een nieuwe link ontdekt tussen donkere materie en de klonten van het heelal

In een nieuwe studie suggereren onderzoekers dat het gebrek aan massa van het universum aangeeft dat donkere materie is samengesteld uit hypothetische ultralichte deeltjes die axions worden genoemd. Indien bevestigd, zou dit brede implicaties kunnen hebben voor ons begrip van het universum en zou het zelfs ondersteuning kunnen bieden voor de snaartheorie.

In een studie gepubliceerd op 14 juni in de Journal of Cosmology en AstrodeeltjesfysicaOnderzoekers 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.

Een kaart van sterrenstelsels in het lokale universum zoals gezien door de Sloan Digital Sky Survey, die onderzoekers gebruikten om de axiontheorie te testen. Elk punt is een galactische locatie en de aarde bevindt zich in het midden van de kaart. Krediet: Sloan Digital Sky Survey

“Als dit wordt bevestigd door toekomstige telescoopwaarnemingen en laboratoriumexperimenten, zal het vinden van donkere materie uit axions 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 and Astrophysics of Science 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 steeds duidelijker is geworden en die onze theorie van het universum momenteel onzeker maakt.”

Bij het vormgeven van het universum bouwt de zwaartekracht een spinnenwebachtige structuur van filamenten die sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels samenbinden langs onzichtbare bruggen van honderden miljoenen lichtjaren lang. Dit staat bekend als het kosmische web. Krediet: Volker Sprengel (Max Planck Instituut voor Astrofysica) et al.

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.

Een computersimulatie van een deel van het universum met of zonder assen die laat zien hoe de structuur van het kosmische web van donkere materie minder klonterig is als het assen heeft. Wat de grootte betreft, de Melkweg zal in een van de kleine groene stippen zitten die halo’s worden genoemd. Credits: Alexander Spencer Londen/Alex Lago

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.

Keir Rogers, hoofdauteur van de studie en een Dunlap fellow aan het Dunlap Institute for Astronomy and Astrophysics. Krediet: met dank aan Keir Rogers

“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 inclusief leden van de onderzoeksgroep van universitair hoofddocent Rene Hluczek aan het Dunlap Institute, evenals van de University of Pennsylvania, Institute for Advanced Study,[{” attribute=””>Columbia University and King’s College London — analyzed observations of relic light from the Big Bang, known as the Cosmic Microwave Background (CMB), obtained from the Planck 2018, Atacama Cosmology Telescope and South Pole Telescope surveys. The researchers compared these CMB data with galaxy clustering data from the Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS), which maps the positions of approximately a million galaxies in the nearby universe. By studying the distribution of galaxies, which mirrors the behavior of dark matter under gravitational forces, they measured fluctuations in the amount of matter throughout the universe and confirmed its reduced clumpiness compared to predictions.

The researchers then conducted computer simulations to predict the appearance of relic light and the distribution of galaxies in a universe with long dark matter waves. These calculations aligned with CMB data from the Big Bang and galaxy clustering data, supporting the notion that fuzzy axions could account for the clumpiness problem.

Future research will involve large-scale surveys to map millions of galaxies and provide precise measurements of clumpiness, including observations over the next decade with the Rubin Observatory. The researchers hope to compare their theory to direct observations of dark matter through gravitational lensing, an effect where dark matter clumpiness is measured by how much it bends the light from distant galaxies, akin to a giant magnifying glass. They also plan to investigate how galaxies expel gas into space and how this affects the dark matter distribution to further confirm their results.

Understanding the nature of dark matter is one of the most pressing fundamental questions and key to understanding the origin and future of the universe.

Presently, scientists do not have a single theory that simultaneously explains gravity and quantum mechanics — a theory of everything. The most popular theory of everything over the last few decades is string theory, which posits another level below the quantum level, where everything is made of string-like excitations of energy. According to Rogers, detecting a fuzzy axion particle could be a hint that the string theory of everything is correct.

“We have the tools now that could enable us to finally understand something experimentally about the century-old mystery of dark matter, even in the next decade or so—and that could give us hints to answers about even bigger theoretical questions,” says Rogers. “The hope is that the puzzling elements of the universe are solvable.”

Reference: “Ultra-light axions and the S8 tension: joint constraints from the cosmic microwave background and galaxy clustering” by Keir K. Rogers, Renée Hložek, Alex Laguë, Mikhail M. Ivanov, Oliver H.E. Philcox, Giovanni Cabass, Kazuyuki Akitsu and David J.E. Marsh, 14 June 2023, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
DOI: 10.1088/1475-7516/2023/06/023

National Aeronautics and Space Administration, Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, David Dunlap family and University of Toronto, Connaught Fund.