10 Weetjes over donkere materie

Volgens astronomen bestaat het grootste deel van het heelal uit zogenaamde ‘donkere materie’. Donkere materie is een hypothetisch begrip, ingevoerd om bepaalde verschijnselen in sterrenstelsels te verklaren. Al in de jaren 30 van de vorige eeuw kwamen astronomen tot de vaststelling dat er veel meer materie in clusters van sterrenstelsels moest zitten dan kon worden waargenomen. Om de bewegingen van sterren en sterrenstelsels te laten kloppen met de bekende wetten van de zwaartekracht en de relativiteitstheorie, riepen natuurkundigen het hypothetische concept van ‘donkere materie’ in het leven. Sterren bewegen zich immers met zo’n enorme snelheid rond het middelpunt van een sterrenstelsel, dat ze, rekening houdend met de bekende hoeveelheid materie in een sterrenstelsel, normalerwijze hun baan zouden verlaten en de ruimte zouden inschieten. Er moet dus meer materie in een sterrenstelsel zitten dan we kunnen waarnemen. Die extra hoeveelheid noemt men donkere materie. Hieronder 10 weetjes over dit moeilijke hypothetische begrip.

10. Donkere materie is niet gewoon ‘donker’

De benaming ‘donkere materie’ is een beetje misleidend. Iets wat ‘donker’ is, straalt geen zichtbaar licht uit of reflecteert geen zichtbaar licht. Bij donkere materie is het echter zo dat er helemaal NIETS wordt uitgestraald of gereflecteerd: geen zichtbaar licht, maar ook geen ultraviolette straling, geen infrarood, geen radiogolven, geen radioactieve straling, helemaal NIETS dus. Dit heeft tot gevolg dat we met onze meetinstrumenten en telescopen donkere materie op geen enkele manier kunnen waarnemen. De observaties van verafgelegen sterrenstelsels zijn immers gebaseerd op de waarneming van zichtbaar licht of een ander soort straling, bijvoorbeeld infrarood licht of röntgenstraling.

9. Donkere materie is ook geen alledaagse ‘materie’

donkere materie
ESO/L. Calçada

Het woord ‘materie’ doet ons denken aan ‘stoffen’, die uit atomen bestaan en die braafjes gehoorzamen aan de bekende wetten van de fysica. Alledaagse materie heeft een massa, oefent een aantrekkingskracht uit op andere materie, krijgt een kleinere dichtheid wanneer het meer volume inneemt enzovoorts. Donkere materie trekt zich van al die bekende fysische wetten weinig of niets aan en gedraagt zich op een totaal andere manier. Dit zou betekenen dat donkere materie niet is opgebouwd uit atomen, maar uit een heel ander soort deeltjes. Tot nu toe is het een raadsel waaruit donkere materie precies bestaat.


8. Donkere materie laat haar sporen na

We kunnen donkere materie niet zomaar wegdenken en doen alsof het begrip simpelweg niet bestaat. Er zijn tal van fenomenen in het heelal die onmogelijk verklaard kunnen worden zonder een beroep te doen op die geheimzinnige donkere materie. De bewegingen van sterren en sterrenstelsels zijn zo snel dat beide uit hun ‘baan’ zouden raken als er geen bijkomende donkere materie zou zijn. Donkere materie heeft een invloed op de kosmische achtergrondstraling die overbleef na de oerknal. Ook de effecten van gravitatielenzen (licht dat wordt afgebogen door een zwaartekrachtveld) kunnen niet volledig uitgelegd worden zonder gebruik te maken van donkere materie. Met andere woorden: donkere materie is misschien (nog) niet waarneembaar, maar het concept is onmisbaar om vele verschijnselen in de ruimte te kunnen verklaren.

7. Een Nederlands astronoom kwam het eerst op de proppen met donkere materie

Jan Hendrik Oort
Joop van Bilsen – Nationaal Archief NL Fotocollectie Anefo

De befaamde Nederlandse astronoom Jan Hendrik Oort bedacht al in 1932 dat de werkelijke massa van een sterrenstelsel veel groter moest zijn dan de massa die we kunnen zien, en dat er dus een soort niet-zichtbare materie moest bestaan. De Zwitserse astronoom Fritz Zwicky bestudeerde sterrenstelsels in een cluster, de zogenaamde Comacluster. Uit zijn onderzoek bleek dat de snelheid van bewegende sterrenstelsels in de Comacluster niet verklaard kon worden op basis van de zichtbare materie. Ook hij kwam op de proppen met donkere materie om zijn waarnemingen te ondersteunen. Vera Rubin deed in 1978 onderzoek naar de rotatiesnelheden van spiraalvormige sterrenstelsels, waaronder de Melkweg. Opnieuw moest zij een beroep doen op de hypothetische donkere materie om haar observaties theoretisch te staven. Sindsdien is het begrip ‘donkere materie’ meer en meer ingeburgerd in de astronomie en de fysica.


6. Donkere materie heeft weinig of geen interactie met zichzelf of met ‘gewone materie’

kogelcluster
NASA

De ‘alledaagse’ materie zoals wij die kennen, vertoont een wisselwerking met andere alledaagse materie. Stoffen trekken elkaar aan en hebben de neiging om samen te klonteren, een eigenschap die aan de basis ligt van het ontstaan van sterren, planeten en andere hemellichamen. Bij donkere materie is er echter geen interactie, niet met andere donkere materie en (behalve de zwaartekracht) niet met gewone materie. Dit blijkt duidelijk uit waarnemingen van de zogenaamde Kogelcluster.
De Kogelcluster is een cluster van sterrenstelsels, die ontstaan is door de samensmelting of ‘botsing’ van twee afzonderlijke clusters. Uit de observaties blijkt een duidelijke interactie tussen de ‘gewone’ materie van de twee oorspronkelijke clusters. De donkere materie in de Kogelcluster is uiteraard niet rechtstreeks waarneembaar. Aan de hand van het gravitatielens-effect kunnen astronomen zich echter een beeld vormen van de verspreiding van de donkere materie in de Kogelcluster. De waarnemingen tonen aan dat er geen interactie heeft plaatsgevonden tussen de donkere materie van de twee oorspronkelijke clusters.

5. Donkere materie vormde de structuur van het heelal

donkere materie structuur heelal

Donkere materie speelde een cruciale rol in de vorming van ons heelal na de oerknal. Misschien is het menselijk leven zelfs te danken aan donkere materie. Donkere materie komt veel meer voor dan gewone materie in de ruimte en interageert niet met licht of met andere donkere materie. Zo kon donkere materie na de oerknal de structuur van het heelal bepalen, een structuur waarin sterrenstelsels zich door samenklontering konden vormen en er uiteindelijk planeten en tal van andere hemellichamen ontstonden. Als donkere materie niet had bestaan, zouden er zich volgens sommige wetenschappers geen sterrenstelsels hebben gevormd, omdat de kosmische straling dit had verhinderd. En in dat geval zou er van de aarde en van de mensheid geen sprake zijn geweest.


4. Niet gelijkmatig verdeeld over het heelal

verdeling donkere materie

Het is erg moeilijk om een precies beeld te krijgen van de verspreiding van donkere materie over het heelal. De recentste wetenschappelijke modellen tonen echter aan dat donkere materie niet mooi gelijkmatig verdeeld is over de ruimte. Donkere materie interageert niet en klontert dus niet samen zoals gewone materie dat doet, maar in sterrenstelsels komen er wel gebieden voor waar de dichtheid van donkere materie groter is dan in andere gebieden. In het centrum van een sterrenstelsel is de dichtheid ervan over het algemeen het grootst. Donkere materie roteert niet mee met de sterren van een sterrenstelsel. Dit betekent dat de planeten van ons eigen zonnestelsel en van andere zonnestelsels zich voortdurend voortbewegen door een ‘zwerm’ van donkere materiedeeltjes.

3. De samenstelling van donkere materie blijft een raadsel

Wat de samenstelling van donkere materie betreft, tasten fysici nog altijd in het duister. Het is duidelijk dat donkere materie niet uit gewone atomen kan bestaan. Donkere materie zou samengesteld zijn uit een heel ander soort elementaire deeltjes, die geen wisselwerking vertonen met licht en slechts heel zwak interageren met andere deeltjes. Die elementaire deeltjes zouden bovendien zwaar genoeg moeten zijn. Wetenschappers kwamen op de proppen met het theoretische elementaire deeltje ‘WIMP’, wat staat voor ‘Weakly Interacting Massive Particle’. Tot nu toe is er echter geen enkel overtuigend bewijs geleverd van het bestaan van WIMPs.

2. Waaruit bestaat donkere materie zeker niet?

geen donkere materie

Wetenschappers zijn het er wel over eens waaruit donkere materie zeker NIET bestaat. Donkere materie bezit heel andere eigenschappen dan gewone materie en het bekende model van atomen met kerndeeltjes en elektronen voldoet dus niet. Ook neutrino’s kunnen niet aan de basis liggen van donkere materie. Neutrino’s zijn weliswaar subatomaire ongeladen deeltjes die weinig of geen wisselwerking vertonen met andere materie, maar ze zijn simpelweg te licht om de eigenschappen van donkere materie te verklaren. Fysici zijn er ook van overtuigd dat donkere materie niet bestaat uit de alom bekende ‘zwarte gaten’ in de ruimte. Omdat enorm veel massa in het heelal afkomstig is van donkere materie, zouden er veel meer zwarte gaten moeten zijn. Die zouden echter waarneembaar moeten zijn via de effecten van gravitatielenzen, maar astronomen zien deze effecten helemaal niet.

1. De jacht naar donkere materiedeeltjes is geopend

jacht naar de donkere deeltjes
Lucas Taylor / CERN

Tientallen jaren van onderzoek hebben nog steeds geen onweerlegbaar bewijs opgeleverd van het bestaan van donkere materie. In de veronderstelling dat onze aarde voortdurend door een zwerm donkere materiedeeltjes beweegt, trachten natuurkundigen met extreem gevoelige instrumenten WIMPs te ‘vangen’. Dat trachten ze bijvoorbeeld te doen met zeer sterk afgekoelde silicium- en germaniumkristallen die in diepe mijngangen in de Verenigde Staten werden opgesteld. Als een donkere materiedeeltje door zo’n afgekoeld kristal vliegt, resulteert dit in waarneembare trillingen van het kristal. Ook in andere landen worden diep onder de grond, om alle andere effecten en storingen uit te sluiten, experimenten uitgevoerd met zeer gevoelige meetinstrumenten. Hoewel er al bepaalde detecties zijn gebeurd met deze instrumenten, is het nog niet duidelijk of het over donkere-materiedeeltjes ging.
Sommige fysici geloven overigens helemaal niet in het bestaan van donkere materie. Volgens deze wetenschappers zou men met de bekende zwaartekrachtwetten van Newton en de relativiteitstheorie van Einstein de bewegingen en snelheden in sterrenstelsels niet volledig kunnen berekenen. De wetten van de fysica zouden dus aangepast en verbeterd moeten worden, zodat ze de complexe verschijnselen in het heelal kunnen verklaren zonder gebruik te maken van donkere materie.