More power on large scales

Het paper stelt dat donkere materie uit macroscopische primordiale zwarte gaten kan bestaan, wat door vroegere simulaties en massaverlies via Hawking-straling leidt tot grotere bulkstroom-snelheden op grote schalen en een oplossing voor de Hubble-spanning.

De kern

Hier is een uitleg van het onderzoek van Jeremy Mould, vertaald naar begrijpelijk Nederlands met behulp van alledaagse analogieën.

Het Grote Geheim van de "Stille" Kosmos

Stel je het heelal voor als een gigantisch, rustig meer. Volgens de standaardtheorie (die we al decennia gebruiken) drijven er kleine bootjes (sterrenstelsels) op dit meer. Deze boten bewegen een beetje, maar ze volgen een vrij voorspelbaar patroon, net als bladeren die rustig op een stroming drijven.

Maar er is een probleem: als we echt gaan kijken, merken we dat deze boten veel harder varen dan de theorie voorspelt. Ze hebben een enorme "stuwkracht" (in de vaktaal: bulk flow). Het is alsof je ziet dat de boten plotseling met 400 km/u over het water razen, terwijl de theorie zegt dat ze maar 200 km/u zouden moeten halen. De vraag is: waar komt die extra snelheid vandaan?

De Oude Theorie vs. De Nieuwe Idee

De Oude Theorie (Standaard):
We denken dat donkere materie (de onzichtbare massa die het heelal bij elkaar houdt) bestaat uit heel kleine, onzichtbare deeltjes. Deze deeltjes waren in het begin heel snel en "wilde" (relativistisch), maar koelden langzaam af. Ze begonnen pas te klonten toen het heelal al een tijdje bestond. Het is alsof je pas begint met het bouwen van een stad als het landschap al plat is; de gebouwen worden klein en de wegen zijn rustig.

Het Nieuwe Idee van Mould:
Jeremy Mould stelt voor: "Wat als donkere materie geen kleine deeltjes zijn, maar zwarte gaten?" En niet zomaar zwarte gaten, maar heel kleine, oeroude zwarte gaten (Primordial Black Holes of PBH's) die direct na de Big Bang ontstonden.

Hier zijn de twee belangrijkste "magische" eigenschappen van deze zwarte gaten in zijn theorie:

1. De "Vroege Start" (De Sprinter)

Stel je voor dat je een wedloop organiseert.

• Standaard theorie: De renners (donkere materie) beginnen pas te rennen als de startlijn is bereikt (toen het heelal al wat ouder was).
• Moulds theorie: De zwarte gaten zijn er al vanaf de eerste seconde. Ze zijn als zware, dichte rotsblokken die direct beginnen te rollen. Omdat ze er zo vroeg zijn, hebben ze veel meer tijd om zwaartekracht te gebruiken om andere dingen naar zich toe te trekken.

Het resultaat: Ze bouwen enorme "zwaartekrachtsgaten" (putten in het landschap) veel eerder dan gedacht. De boten (sterrenstelsels) die later ontstaan, vallen in deze diepe putten en worden daardoor veel harder versneld. Dit verklaart waarom we die enorme snelheden zien: de boten hebben een langere "sprint" gehad.

2. De "Verdampende Ijsklont" (De Hubble-spanning)

Er is nog een ander mysterie in de astronomie: de Hubble-spanning.

• Als we meten hoe snel het heelal uitzet door naar oude lichtsignalen te kijken (de Kosmische Microgolfachtergrond), krijgen we één snelheid.
• Als we meten naar de snelheid van het uitzetten nu (met supernova's), krijgen we een hogere snelheid.
• Ze kloppen niet met elkaar. Het is alsof je twee klokken hebt die verschillende tijden aangeven.

Moulds zwarte gaten lossen dit op met een slim trucje: verdamping.
Zeer kleine zwarte gaten verdampen langzaam door een proces dat Hawking-straling heet. Ze verliezen massa en veranderen in straling (licht/energie).

• De Analogie: Stel je voor dat je een ijsklont in een warme kamer hebt. Na verloop van tijd smelt het ijs (massa) en verandert het in waterdamp (straling).
• In het heelal betekent dit dat er in het verleden meer "ijs" (materie) was dan nu, en dat een deel daarvan is veranderd in "damp" (straling).

Dit verandert de berekening van hoe snel het heelal in het begin uitdijde. Door deze extra straling in de berekening te stoppen, past de "oude" klok (de oude metingen) plotseling veel beter bij de "nieuwe" klok (de huidige metingen). De kloof tussen de twee metingen sluit zich.

Wat betekent dit voor ons?

Mould heeft met een computermodel (een soort virtueel universum) laten zien dat als je deze zwarte gaten toevoegt:

1. De sterrenstelsels sneller bewegen (oplossing voor de "te snelle boten").
2. De berekeningen van de ouderdom en uitdijing van het heelal beter kloppen (oplossing voor de "klokkende klokken").

De "Proefballon":
Dit is nog een "speelgoedmodel" (een toy model). Het is alsof Mould een schaalmodel van een stad heeft gebouwd om te zien of het werkt. Hij heeft geen echte gaswolken of sterren meegenomen in zijn berekening, alleen de donkere materie. Hij zegt: "Kijk, het werkt in dit simpele model. Laten we nu echte, complexe computersimulaties draaien om te zien of het in de echte natuur ook zo werkt."

Samenvatting in één zin

Als donkere materie bestaat uit kleine, oude zwarte gaten die langzaam verdampen, dan verklaren ze zowel waarom sterrenstelsels sneller varen dan verwacht, als waarom onze metingen van de snelheid van het heelal eindelijk met elkaar overeenkomen.

Het is een elegante oplossing die geen nieuwe, onbekende deeltjes nodig heeft, maar gewoon de oude, bekende wetten van zwarte gaten op een slimme manier toepast.

Technische samenvatting

Hier is een gedetailleerde technische samenvatting van het artikel "More power on large scales" van Jeremy Mould, geschreven in het Nederlands.

Titel: Meer vermogen op grote schalen

Auteur: Jeremy Mould (Swinburne University & ARC Centre of Excellence for Dark Matter Particle Physics)
Datum: Januari 2026 (voorgesteld)

---

1. Het Probleem

Het artikel adresseert een langdurige discrepantie in de kosmologie: het ontbreken van voldoende "vermogen" (power) op zeer grote schalen in standaard kosmologische modellen ($\Lambda$CDM).

• Bulk Flows: Waarnemingen van de eigenbewegingen (peculiare velocities) van sterrenstelsels tonen aan dat er grootschalige stromingen (bulk flows) bestaan die aanzienlijk sterker zijn dan voorspeld door het standaardmodel. Metingen op schalen groter dan $100 h^{-1}$Mpc tonen snelheden van ongeveer$400 \text{ km s}^{-1}$, terwijl$\Lambda$CDM deze niet reproduceert.
• Hubble-spanning: Er bestaat een spanning tussen de waarde van de Hubble-constante ($H_0$) afgeleid uit de kosmische microgolfachtergrond (CMB) en lokale metingen in het late universum.
• Beperkingen van bestaande modellen: Standaard modellen, zelfs met neutrino's of gemodificeerde zwaartekracht, hebben moeite om deze hoge snelheden en de waargenomen asymmetrie in materie-verdeling te verklaren zonder extreme statistische uitschieters.

2. Methodologie

De auteur presenteert een "toy model" (proefmodel) dat twee hoofdcomponenten introduceert om de waarnemingen te verklaren:

1. Primordiale Zwarte Gaten (PBH's) als Donkere Materie: In plaats van fundamentele deeltjes (zoals WIMPs), wordt donkere materie voorgesteld als macroscopische objecten, specifiek PBH's met massa's in het bereik van $10^{-20}$tot$10^{-17} M_\odot$.
2. Vroege N-body Simulaties: De simulaties worden gestart op zeer hoge roodverschuivingen ($z$), zelfs vóór de materie-straling gelijkheid ($z \sim 3400$) en soms tot $z = 30.000$. Dit staat in contrast met standaard simulaties die vaak pas bij $z \approx 100$ beginnen.
3. Massa-verlies (Evaporatie): Een sub-populatie van deze PBH's verliest massa via Hawking-straling over kosmologische tijdschalen. Dit wordt gemodelleerd op twee manieren:
   • Dynamisch verminderen van de deeltjesmassa volgens de evaporationssnelheid ($\dot{M} \propto M^{-2}$).
   • Een fenomenologische aanpak waarbij een vast percentage deeltjes stochastisch uit de fase-ruimte-array wordt verwijderd per tijdstap.
4. Simulatie-parameters:
   • Er werden $256.000$ deeltjes gebruikt in schaalvrije N-body runs.
   • De initiële condities waren een uniforme verdeling van deeltjes in rust, met een zwaartekrachtskern.
   • De simulaties eindigden bij $z \approx 1$.
   • Baryonen werden niet expliciet gemodelleerd (alleen donkere materie), wat een beperking is van dit proefmodel.

3. Belangrijkste Bijdragen en Mechanismen

Het paper introduceert een fysiek mechanisme dat twee grote problemen tegelijkertijd aanpakt:

• Verhoogde Bulk Flows: Omdat PBH's vanaf het begin (in het stralingsgedomineerde tijdperk) als niet-relativistische, dichte objecten fungeren, kunnen ze eerder gravitationele putten vormen en beginnen te clustern dan thermische donkere materie. Dit leidt tot:
  • Snellere en efficiëntere gravitationele versnelling van omringende materie.
  • Grotere eigenbewegingen die coherent blijven over honderden Mpc.
  • Een "vroege, hoge-dichtheidsfase" die zorgt voor grotere initiële snelheidsimpulsen.
• Aanpassing van de Friedmann-vergelijking: Het massa-verlies van PBH's zet materie om in straling. Dit introduceert een tijdsafhankelijke materiaaldichtheidsparameter, $\Omega'_m$, die fungeert als een versterkte stralingsterm in de Friedmann-vergelijking:
  $$\left(\frac{H}{H_0}\right)^2 = (\Omega_r + \Omega'_m)(1+z)^4 + \Omega_{m0}(1+z)^3 + \Omega_\Lambda$$
  Dit gedraagt zich als een extra stralingscomponent in het vroege universum.

4. Resultaten

De simulaties leverden de volgende kwantitatieve resultaten op:

• Bulk Flow Snelheden: De modellen met massa-verlies (bijv. Run 102) genereerden bulk flows met een amplitude die ongeveer twee keer zo groot was als die van het constante-massa model (Run 103).
  • Bij een straal van de helft van de mediane deeltjesafstand was de significatie van de bulk flow in het massa-verliesmodel $3.52\sigma$(in de x-richting) versus$2.60\sigma$ in het controlemodel.
  • De gemeten snelheden kwamen beter overeen met de waarnemingen van Watkins et al. (2023) ($\sim 400 \text{ km s}^{-1}$).
• Invloed op $H_0$: De verhoogde effectieve stralingsdichtheid ($\Omega_r + \Omega'_m$) in het vroege universum verkleint de geluidshorizon op het moment van recombinatie.
  • Een kleinere "standaardliniaal" in de CMB leidt tot een hogere afgeleide waarde voor $H_0$ (ongeveer $1%$ hoger), wat de Hubble-spanning enigszins vermindert.
• Stabiliteit: Het model kan zo worden ingesteld dat de massa-verliesfase vóór recombinatie stopt (door de initiële massaverdeling van PBH's te kiezen), waardoor de late-tijd expansiegeschiedenis nauwelijks verschilt van $\Lambda$CDM en consistent blijft met supernova-data.

5. Significatie en Conclusies

• Paradigmaverschuiving: Het paper suggereert dat we niet noodzakelijk het $\Lambda$CDM-paradigma hoeven te verlaten, maar dat de aard van donkere materie (macroscopisch in plaats van fundamenteel) en het tijdstip van simulatie-start cruciaal zijn.
• Oplossing voor Meerdere Spanningen: Het model biedt een fysiek onderbouwd alternatief dat zowel de "grote schaal power"-problemen (bulk flows) als de Hubble-spanning kan verklaren zonder nieuwe fundamentele krachten of deeltjes buiten het standaardmodel in te voeren (behalve PBH's).
• Toekomstig Onderzoek: De auteur pleit voor:
  • Hoge-resolutie simulaties ($N > 10^7$) om halo's op galaxieniveau beter op te lossen.
  • Integratie van dit mechanisme in geavanceerde kosmologische codes (zoals die gebruikt voor Euclid en DESI).
  • Verdere studie van axion-miniclusters, die vergelijkbare eigenschappen kunnen hebben.
  • Het testen van een variabele $\Omega_m$ als fysiek alternatief voor de dynamische donkere energie-parameter $w_a$ in DESI-data.

Conclusie: Het artikel demonstreert dat een vroege vorming van structuren door primordiale zwarte gaten, gecombineerd met Hawking-straling massa-verlies, de waargenomen grote schaal stromingen kan verklaren en tegelijkertijd de Hubble-spanning kan verlichten door de expansiegeschiedenis van het vroeke universum te modificeren.