Mørke klumper i universet

Håkon Dahle Institutt for Teoretisk Astrofysikk, UiO

Kosmisk bakgrunnsstråling(WMAP), kombinert med andre datasett

Universet er dominert av

mørk materie og mørk energi

Galaksehoper: Universets ”storbyer”

Lysende materie (“Supermann-versjon”): Røntgenstråling fra varm gass i Coma-hopen

Mørk materie i galaksehop (simulering)

Mørk materie(Koordinatsystemet følger med universets ekspansjon)

Coma-hopen (Abell 1656)

Galaksene er bare toppen av isfjellet…

Ingredienser i en galaksehop:

Stjerner 1-2% ”baryonisk”

Varm gass (T~108 K) ca.15% “baryonisk”

Mørk materie ca. 85% “ikke-baryonisk”

(blandingsforholdet mellom baryonisk/ikke-baryonisk materie er også representativt for resten av universet)

Mesteparten av vanlig materie er i form av varm gass (plasma) som sender ut røntgenstråling

Finnes virkelig mørk materie?

Mørk materie påvises indirekte gjenom effekten den har på synlige objekter (f.eks. stjerner, galakser) Dersom gravitasjonsloven virker annerledes på store avstander enn vi tror, kan slike observasjoner kanskje forklares uten mørk materie ?!

• MOND (=Modified Newtonian Dynamics, Milgrom)• TeVeS (Bekenstein)• MOG (Modified gravity, J. Moffat)

Kan vi skille mellom mørk materie og modifisert tyngdekraft?

Finnes virkelig mørk materie?

Problem: Klumper med mørk materie inneholder vanligvis også lysende materie, som er fordelt (omtrent) på samme måte.

•Finnes det mørke klumper uten lysende materie? •Hvordan kan disse i tilfelle påvises?

GravitasjonslinsingForstørrelse og forvrengning av fjerne galakser

Galaksehopen Abell 2218 (HST WFPC2)

Oppdagelse av gravitasjonslinsing fra galaksehoper (Lynds & Petrosian, Soucail)

1986/87

HST WFPC2

Store mengder mørk materie i galaksehoper !

Sterk og svak gravitasjonslinsing (simulering med usynlig, symmetrisk linse)

A2554

ESOWFI R-band(~32'field)

A2554

A2554 (z=0.11)

Aqr CC32 (z=0.16)

A2550 (z=0.12)

MASSE

“Mørk hop”-kandidater fra svak gravitasjonslinsing

Abell 1942: Erben et al. (2000)

Abell 1722: Dahle et al. (2003)

Problemer: plausibel fysisk forklaring, støy

Kollisjon mellom to galaksehoper

1E0657-56 ”Bullet cluster”

“Bullet cluster”: Kollisjon mellom to massive galaksehoper

Avstand fra jorda: 3.4 milliarder lysår

Masseforhold mellom klumpene: 4:1 (hopen som danner “kula” er den minst massive)

Kollisjon ca.100 millioner år siden, relativ hastighet 4700 km/s (supersonisk i gassen)

Hopene beveger seg normalt på synslinjen i himmelplanet (relativ radialhastighet ~600 km/s), skarp sjokkfront

“Kula” er denne sjokkfronten

1E0657-56 ”Bullet cluster”

Mørk materie i 1E0657-56

Clowe et al., astro-ph/0608407 (måling av svak gravitasjonslinsing med data fra

HST, 6.5m Magellan + måling av røntgengass fra Chandra-satellitten)

For standard gravitasjon, gir dette massekartet et direkte bilde av den lokale massetettheten

For alternative gravitasjonsmodeller er verdiene i massekartet ikke direkte proporsjonale med massen (“glattet bilde”)

Posisjonen til massekonsentrasjonene burde likevel være den samme!

Massekartet viser massekonsentrasjoner klart adskilt fra sine tilhørende gass-klumper, med høy signifikans!

Critical curves and multiple images

Angus et al: MOND + nøytrinoer (HDM)astro-ph/0609125 (tvilsomme greier…)

Hva er så mørk materie?

Partiklene må være:

- nøytrale

- tunge (~ GeV), → “kald” mørk materie (CDM) , eller…

- middels tunge (~ keV), → “lunken” mørk materie (WDM).

- stabile (over universets alder)

WIMPs = Weakly Interacting Massive Particles (CDM)

Noen kandidater for mørk materie kan gi opphav til røntgenstråling (eks: sterile nøytrinoer = WDM, aksioner = CDM)

eller gammastråling (eks: supersymmetriske nøytralinoer = CDM), men bare på bestemte bølgelengder (gir emisjonslinjer i spekteret)

Sterile nøytrinoer som “Warm Dark Matter”

Fra minimal utvidelse (standardmodellen + 3 sterile nøytrinoer) av standard- modellen i partikkelfysikk, “MSM”

- kan gi løsning til flere problemer innen partikkelfysikk

- forklarer masseverdiene til aktive nøytrinoer (Asaka et al. 2005)

- forklarer mengde mørk materie (Dodelson & Widrow 1994)

- mulig løsning til problemer med kald mørk materie (på små skalaer)

- falsifiserbart!

s -> +

Henfall av ~keV partikler -> linje-emisjon av røntgenstråling, E = ms/2

-> Se etter klumper av mørk materie med lavt baryoninnhold

(Hansen et al. 2002)

Kan testes med gravitasjonslinsemålinger med

Nordisk Optisk Teleskop og UH2.2m

Abell 520: kollisjon i Orion

(2.24m University of Hawaii Telescope; eksponeringstid: 6 timer)

Røntgenstråling (rødt/blått) og mørk materie (grønne konturer) i Abell 520

”Dark matter blob”(Ingen detekterbar linje-emisjon

-> ”vinduet” snevres inn)

Øvre grense for henfallsraten til sterile nøytrinoer ”vinduet” snevres inn…

Konklusjoner.

Galaksehoper er nøkkelobjekter for å forstå universets utvikling, mørk materie og mørk energi.

Mørk materie finnes virkelig!

- mange partikkel-kandidater er fortsatt aktuelle, men vinduet er i ferd med å snevres inn for flere av dem (sterile nøytrinoer, aksioner)

- sannsynligvis kan vi snart ekskludere flere kandidater, og kanskje detektere mørk materie direkte gjennom eksperimenter på jorden