Mørke klumper i universet Håkon Dahle Institutt for Teoretisk Astrofysikk, UiO

1. Mørke klumper i universetHåkon DahleInstitutt for Teoretisk Astrofysikk, UiO

2. Universet er dominert av mørk materie og mørk energi Kosmisk bakgrunnsstråling(WMAP), kombinert med andre datasett

3. Galaksehoper: Universets ”storbyer”

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

5. Mørk materie i galaksehop (simulering)

6. Mørk materie(Koordinatsystemet følger med universets ekspansjon)

7. Coma-hopen (Abell 1656) Galaksene er bare toppen av isfjellet…

8. 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

9. 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?

10. 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?

11. GravitasjonslinsingaForstørrelse og forvrengning av fjerne galakser Galaksehopen Abell 2218 (HST WFPC2)

12. Oppdagelse av gravitasjonslinsing fra galaksehoper (Lynds & Petrosian, Soucail) 1986/87 HST WFPC2 Store mengder mørk materie i galaksehoper !

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

14. A2554 ESO WFI R-band (~32'field)

15. A2554 Aqr CC32 (z=0.16) A2554 (z=0.11) A2550 (z=0.12)

16. MASSE

17. “Mørk hop”-kandidater fra svak gravitasjonslinsing • Abell 1942: Erben et al. (2000) Problemer: plausibel fysisk forklaring, støy Abell 1722: Dahle et al. (2003)

18. Kollisjon mellom to galaksehoper

19. 1E0657-56 ”Bullet cluster”

20. “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

21. 1E0657-56 ”Bullet cluster”

22. 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!

23. Critical curves and multiple images

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

25. 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)

26. Sterile nøytrinoer som “Warm Dark Matter” Fra minimal utvidelse (standardmodellen + 3 sterile nøytrinoer) av standard- modellen i partikkelfysikk, “nMSM” - 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! ns -> na + g Henfall av ~keV partikler -> linje-emisjon av røntgenstråling, E = ms/2 -> Se etter klumper av mørk materie med lavt baryoninnhold (Hansen et al. 2002)

27. Kan testes med gravitasjonslinsemålinger med Nordisk Optisk Teleskop og UH2.2m

28. Abell 520: kollisjon i Orion (2.24m University of Hawaii Telescope; eksponeringstid: 6 timer)

29. Røntgenstråling (rødt/blått) og mørk materie (grønne konturer) i Abell 520 ”Dark matter blob” (Ingen detekterbar linje-emisjon -> ”vinduet” snevres inn)

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

31. 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