Universiteit Leiden

nl en
Lovell et al. (2012)

Donkere materie: warm of koud?

Is ons universum opgebouwd uit warme of koude donkere materie? Het standaardmodel gaat uit van koude donkere materiedeeltjes, maar astronoom Sylvia Ploeckinger test momenteel de potentie van een warme tegenhanger: steriele neutrino’s. Voor dit project ontving ze een NWO Natuurkunde/V-subsidie, speciaal voor vrouwen in de natuurkunde. ‘Ik wil uitzoeken welk elementair deeltje de beste kandidaat is.’

Mysterieuze materie

Sterren, planeten, meteorieten, gasnevels… al deze objecten samen zijn slechts goed voor 15 procent van de totale hoeveelheid materie in ons heelal. De resterende materie noemen we ‘donkere materie’. Maar waar is deze mysterieuze materie van gemaakt? ‘Het standaardmodel van de kosmologie gaat meestal uit van koude donkere materiedeeltjes,’ zegt Ploeckinger. ‘Maar sinds de ontdekking dat neutrino’s een massa hebben, zijn hypothetische deeltjes uit de neutrinofamilie sterke kandidaten voor een theorie die uitgaat van warme donkere materiedeeltjes.’

Warm of koud?

Warm en koud verwijst naar de snelheden van de deeltjes in het vroege universum. Koude deeltjes bewogen langzamer en vormden al op zeer kleine schaal verbonden structuren, halo’s genaamd. Warme deeltjes daarentegen, vormden door hun grotere snelheid alleen structuren op een veel grotere schaal.

In beide gevallen groeien deze halo’s door op te gaan in steeds grotere structuren. Deze grotere structuren bevatten nog steeds kleinere halo’s die nog niet volledig zijn samengevoegd. In een universum gemaakt van koude donkere materie zou het Melkwegstelsel tegenwoordig omringd worden door miljoenen halo’s met een groot scala aan massa’s (met de kleinste massa’s gelijk aan die van de aarde). In een warm donker materie-universum zou onze galactische omgeving stiller zijn: slechts enkele tientallen van de meest massieve halo’s zouden in een baan om de Melkweg draaien.

Een blokje universum

Ploeckinger richt zich op een blokje uit ons universum met een zijlengte van 80 miljoen lichtjaar. Zo’n blokje bevat ongeveer 100 sterrenstelsels met de massa van de Melkweg. Voor dit specifieke blokje gaat Ploeckinger de evolutie simuleren in het geval van warme donkere materie. ‘Deze simulaties beginnen wanneer het heelal nog maar een paar miljoen jaar oud is en volgen de vorming en evolutie van halo’s en de sterrenstelsels die daaruit ontstaan gedurende 13,8 miljard jaar, tot op heden.’ In een eerder project deed Ploeckinger al hetzelfde voor koude donkere materie. ‘Ik ben erg benieuwd welk gesimuleerd universum het meest zal lijken op het universum waarin we nu leven. Dat zal ons helpen om erachter te komen welk elementair deeltje de sterkte kandidaat is. In het beste geval vinden we duidelijke verschillen tussen de twee universums, zodat we één van de twee scenario’s kunnen bevestigen of uitsluiten!’

In ieder geval hoopt Ploeckinger dat de hoge-resolutie simulaties nieuwe aanwijzingen brengen over de richting die astronomen moeten inslaan om de aard van het donkere materiedeeltje te ontsluiten.

Tochtje door het heelal

Als fundamentele wetenschapper vindt Ploeckinger het soms moeilijk om ‘iets terug te geven aan de maatschappij’. ‘Dat komt omdat de data die wij produceren meestal niet direct toepasbaar zijn in het dagelijks leven van mensen.’ Daarom vindt ze het extra leuk dat de onderzoeksresultaten op verschillende laagdrempelige manieren gepresenteerd zullen worden, zoals met animaties en films, maar ook als virtual reality tochtjes door het heelal. ‘Met een speciale database vol sterrenstelsels kunnen studenten hun favoriete stelsel vinden, teruggaan in de tijd en leren hoe het is gevormd en geëvolueerd. Dit helpt om hun interesse te wekken voor deeltjesfysica, kosmologie en astrofysica, maar ook voor de wetenschap in het algemeen.’

Het werk van Ploeckinger bevindt zich namelijk op het grensvlak van al deze disciplines. ‘et onderzoek naar de aard van het donkere materiedeeltje beïnvloedt zowel het standaardmodel van de deeltjesfysica als dat van de kosmologie. Parallel aan experimenten op aarde die deze deeltjes proberen te detecteren, onderzoek ik welke signalen in de ruimte ons meer inzicht kunnen geven in hun eigenschappen. Op deze manier vullen we elkaar perfect aan'.

Omslagfoto: Een massieve donkere materiehalo in een koud donker materie-universum (links) en een warm donker materie-universum (rechts). In de linkerfiguur zijn miljoenen kleine halo's zichtbaar, maar die ontbreken in de warme donkere materiehalo in de rechterfiguur. Hier zijn slechts de meest massieve halo's aanwezig. Bron: Lovell et al. (2012).

Tekst: Hilde Pracht

De Nederlandse Onderzoeksraad (NWO) startte het NWO Stimuleringsprogramma Natuurkunde/V om meer vrouwelijke wetenschappers in de Nederlandse natuurkundegemeenschap te behouden. Deze specifieke subsidie is in 2019 voor het laatst toegekend, omdat deze in 2020 wordt vervangen door een nieuw programma. Meer informatie op de website van NWO.

Deze website maakt gebruik van cookies. Meer informatie