Mørk Materie

Mulig løsning på mørk materie, reionisering, sorte hull og mer

2006-02-09
En ny teori løser mange problemer på en gang: mørk materie, hvordan de første stjernene ble dannet, reioniseringen av det unge universet, hastigheten til pulsarer og mangelen av antimaterie i universet.
I motsetning til Jorda, Sola og stolen du sitter i akkurat nå, består resten av universet for det meste av ukjente partikler. En annen, tilsynelatende uavhengig mysterium, er hastigheten til pulsarer der noen har en hastighet på over 1000 kilometer i timen.

Løsningen kan være såkallte "sterile nøytrinoer" med en betydelig masse på flere keV. Hvis denne partikkelen eksisterer kan den ha blitt produsert i tilstrekkelige mengder i det unge universe til å kunne være det vi oppfatter som mørk materie i dag.

Den samme partikkelen kan skapes anisotropt i supernovaeksplosjoner. Det betyr at mengden partikler ikke er likt i alle retninger slik at pulsaren som skapes i eksplosjonen får et betydelig spark i siden. Dette sparket kan igjen øke energien i supernovaen slik at beregningene passer bedre med observasjonene.

Et annet mysterium er de enorme sorte hullene vi finner i sentrum av galakser. Hvis man ser på hvor raskt et sort hull kan vokse, og størrelsen på hullene vi har oppdaget, finner vi at universet ikke er gammelt nok til å ha slike store sorte hull. En mulig forklaring er at de aller første stjernene var supermassive (flere hundre ganger mer massive enn Sola). Jo mer massiv en stjerne er, jo kortere levetid har den, og en supermassiv stjerne fører til supermassive sorte hull. Det vi har manglet er en mekanisme for at slike enorme stjerner kunne dannes raskt nok. Sterile nøytrinoer kan ha hatt en akselererende effekt på dannelsen av molekylært hydrogen, slik at de første stjernene kunne ha blitt født allerede 20-100 millioner år etter big bang.

Nok et mysterium er hvordan universet ble reionisert. Frem til universet var rundt 400.000 år gammelt var det fylt av separerte protoner og elektroner - det var ionisert. Etter en viss tid kjølnet universet ned som følge av den voldsomme ekspansjonen slik at protonene kunne fange inn elektronene og skape nøytralt hydrogen. I dag, derimot, er det meste av gassen på nytt ionisert, men hvorfor eller hvordan vet vi enda ikke, bare at det må ha skjedd. Med sterile nøytrinoer har vi nå en mekanisme der supermassive stjerner ble dannet tilstrekkelig tidlig i universet i stort nok antall. Reioniseringen skjedde derfor mellom 150-400 millioner år etter big bang, som passer bra med observasjonene. Uten sterile nøytrinoer ville de første stjernene ha blitt født for sent til å kunne bidra til denne prosessen.

Sterile nøytrinoer kan også forklare asymmetrien i baryonsk materie. Under big bang ble det av en eller annen grunn produsert litt mer vanlig materie i forhold til antimaterie. Det meste av materien og antimaterien annihilerte hverandre etter kort tid (se denne diskusjonen i forumet for mer om materie/antimaterie of kvantefluktuasjoner). Heldigvis ble det noe normal materie igjen, slik at galakser, stjerner og planeter kunne dannes. Sterile nøytrinoer kan forklare denne asymmetrien.

Deler av arbeidet ble utført av Peter L. Biermann og Alexander Kusenko. Førstnevnte var veilederen min når jeg studerte astrofysikk ved Max-Planck Instituttet i Tyskland. Han holdt nylig (januar 2006) et foredrag om UHECR (Ultra High Energy Cosmic Rays) på NTNU. Vi kommer helt sikkert tilbake til denne teorien i tiden fremover.

Relic keV sterile neutrinos and reionization
(arXiv.org)