#baryonen

Deel van de ‘ontbrekende materie’ blijkt te zitten in galactische winden

Credit: Johannes Zabl Over de ontbrekende materie hebben we het hier vaker gehad. Nee, het gaat dan niet om donkere materie die we niet direct kunnen zien, maar om doodgewone materie, die bestaat uit wat men ‘baryonen’ noemt, waarvan de bekendste voorbeelden de protonen en neutronen zijn. Uit waarnemingen en berekeningen blijkt dat maar liefst 80% van de baryonische materie vermist wordt,…

Deel van de ‘ontbrekende materie’ blijkt te zitten in galactische winden

Credit: Johannes Zabl Over de ontbrekende materie hebben we het hier vaker gehad. Nee, het gaat dan niet om donkere materie die we niet direct kunnen zien, maar om doodgewone materie, die bestaat uit wat men ‘baryonen’ noemt, waarvan de bekendste voorbeelden de protonen en neutronen zijn. Uit waarnemingen en berekeningen blijkt dat maar liefst 80% van de baryonische materie vermist wordt,…

In aansluiting op mijn eerdere blog over de boeiende vraag ‘hoe groot is het (waarneembare) heelal?’ nu een blog over de minstens zo boeiende vraag hoeveel deeltjes er in dat waarneembare heelal zitten. De Griek Archimedes (287-212 voor Chr.) deed in zijn werk ‘Zandrekenaar’ al een stoutmoedige poging het aantal zandkorrels in het heelal te berekenen. De sterrenkundige Don Page doet het ruim twee millenia dunnetjes over, niet voor het aantal zandkorrels, maar het aantal deeltjes in het heelal. In zijn in mei dit jaar verschenen artikel op de arXiv maakt hij de nodige berekeningen, uitgaande van een straal van het waarneembare heelal van 45,4 miljard lichtjaar – da’s om en nabij de 4,2950798936 10^28 centimeters – en dat levert dit indrukwekkende rijtje van getallen op:

Aantal baryonen (protonen en neutronen) in het waarneembare heelal is 8,34 x 1079

Aantal elektronen is net zo groot, dus 8,34 x 1079

Aantal fotonen is 1,36 x 1089

Aantal neutrino’s is 1,11 x 1089

Aantal gravitonen is 2,0 x 10113r

Dat laatste aantal is opmerkelijk: gravitonen zijn de dragers van de zwaartekracht en ze zijn vooralsnog hypothetisch. Een kwantumbeschrijving van de zwaartekracht, dat nodig is om met dergelijke deeltjes de werking van de zwaartekracht te beschrijven, is er nog niet. Page stelt dus dat áls de gravitonen bestaan ze de meest voorkomende deeltjes in het heelal zijn. De term r is de welbekende tensor-to-scalar ratio, een noodzakelijke term in een heelal dat start met een fase van inflatie, die ik in een eerdere blog heb beschreven. Geschat wordt dat r niet hoger is dan 0,1.

In een volgende blog – ooit te verschijnen, bij voorkeur vóór 1 mei 2024 – het antwoord op de nog boeiender vraag: hoeveel deeltjes donkere materie zitten er in het arneembare heelal?

Bij het analyseren van gegevens die zijn verzameld door de Large Hadron Collider is het bestaan van twee nieuwe subatomaire deeltjes vastgesteld. Het gaat om baryonen, deeltjes uit dezelfde familie waar bijvoorbeeld ook protonen en neutronen toe behoren. Net als alle baryonen, zijn de nieuwe deeltjes (die Xi_b’ en Xi_b* worden genoemd) opgebouwd uit quarks, hoewel van een ander soort. Beide deeltjes bevatten namelijk een bottom-quark (b), een strange-quark (s) en een down-quark (d). Doordat de b-quark erg zwaar is, is de massa van beide deeltjes zo’n zes keer meer dan dat van een proton.

Maar wat is nou het verschil tussen beide deeltjes? Wel, dat houdt verband met een eigenschap van deeltjes die “spin” genoemd wordt. Bij de Xi_b’ “spinnen” de twee lichte quarks in tegengestelde richting als de b-quark, terwijl bij Xi_b* de spin van alledrie de quarks is uitgelijnd. Vandaar dat de Xi_b* ietsjes zwaarder is dan z’n broertje Xi_b’. Overigens zijn beide deeltjes instabiel en vervallen heel snel in andere deeltjes.

Animatie waarin de massa van de zes soorten quarks schematisch wordt weergegeven. De afkortingen staan voor up-quark, down-quark, charm-quark, strange-quark, bottom-quark en top-quark. De massa van het proton (grijze bolletje) en het elektron (rode puntobject) worden ter vergelijking ook weergegeven.

Bron: Universe Today

Sinds 21 maart 2013 weten we dankzij de metingen met Planck dat van het heelal 4,9% bestaat uit gewone materie, 26,8% uit donkere materie en maar liefst 68,3% uit donkere energie. Die 4,9% noemt men ook wel baryonische materie, omdat het gevormd wordt door baryonen, de subatomaire deeltjes die uit drie quarks bestaan en waarvan de protonen en neutronen de bekendste voorbeelden zijn. Van 95,1% van het heelal hebben we dus geen idee wat het precies is en waar het uit bestaat, een bekend probleem waar sterren- en natuurkundigen al jaren mee worstelen. Minder bekend is het probleem van de vermiste materie of baryonen: van die 4,9% baryonische materie is ongeveer de helft bekend:

10% in de vorm van sterren in sterrenstelsels

40% in de vorm van diffuus heet gas in halo’s rondom de sterrenstelsels (zie afbeelding hierboven)

De rest van de baryonen is zoek, hetgeen feitelijk een gat van zo’n 97,5% slaat in onze kennis over het heelal. Men heeft wel een idee waar men moet zoeken – diffuus, heet gas van voornamelijk waterstof tússen de clusters van sterrenstelsels – maar het probleem is dat dat gas zo dun is en ook zo ver verwijderd dat het moeilijk te detecteren valt. Met de Chandra röntgensatelliet hebben ze in 2012 een eerste indruk gekregen van dat warme-hete intergalactische medium (WHIM), zoals het heet en dat deed men met behulp van een ver verwijderde quasar, wiens licht door dat gas scheen en er absorptielijnen in achterliet:

Onlangs diende zich een tweede mogelijkheid aan om meer te weten te komen over de vermiste baryonen in het intergalactische medium, niet via röntgenwaarnemingen, maar via waarnemingen in het radiogedeelte van het spectrum. Enkele jaren terug ontdekten sterrenkundigen dat op geheel onverwachte momenten felle uitbarstingen in het radiogebied aan de hemel plaatsvinden, die slechts enkele milliseconden duren. De eerste was een uitbarsting die in 2007 met de Australische Parkes radiotelescoop was ontdekt, de zogeheten Lorimer uitbarsting, genoemd naar één van de ontdekkers.

De Lorimer uitbarsting, die slechts 5 milliseconde duurde

In eerste instantie werden deze korte radiouitbarstingen alleen met de Parkes telescoop ontdekt en kon men vermoeden te maken te hebben met een instrumentele afwijking. Maar in april dit jaar werd zo’n uitbarsting ook gedetecteerd met de grote Arecibo radiotelescoop op Puerto Rico en vanaf dat moment is komen vast te staan dat we te maken hebben met een nieuw fenomeen: de Fast Radio Bursts (FRB’s). Over de bron van die uitbarstingen wordt druk gespeculeerd – het zouden bijvoorbeeld blitzars kunnen zijn, ineenstortende zware neutronensterren, maar in verband met die vermiste baryonen kunnen ze best wel eens goed van pas komen. Het idee is namelijk dat de radiostraling van die FRB’s onderweg naar de aarde dwars door het warme-hete intergalactische medium gaat en dat daarvan als vingerafdrukken absorptielijnen in het spectrum te zien moeten zijn, net zoals het licht van de quasar in 2012 liet zien. Volgens sommige berekeningen zouden er per dag wel 10.000 FRB’s aan de hemel te zien moeten zijn, op willekeurige plekken oplichtend en zichtbaar met radioapparatuur. Vandaar dat in 2013 Matthew McQuin en dit jaar Wei Deng en Bing Zhang met het idee kwamen om de vermiste baryonen op te sporen met de FRB’s.

Impressie van een blitzar, de mogelijke bron van een FRB

Men denkt dat met toekomstige radiotelescopen, zoals de Square Kilometer Array (SKA), op grote schaal FRB’s gemeten kunnen worden, die in hun licht informatie herbergen over het warme-hete intergalactische medium, het gas dat vermoedelijk het vermiste deel van de baryonen in het heelal verklaart. En wellicht dat we niet hoeven te wachten tot SKA een keertje klaar is, maar dat het al met de Lofar radiotelescoop in West-Europa kan, waarvan het hart zich in Drenthe bevindt. Zie deze presentatie van Heino Falcke met de suggestie om FRB’s met Lofar waar te nemen. Bron: Koberlein + The Planetary Society + Astrobites.