Je leest:

De zoektocht naar donkere materie

De zoektocht naar donkere materie

Zien we ’t niet of bestaat ’t niet?

Auteur: | 7 oktober 2017
NEMO Kennislink

Wij kunnen slechts 15 procent van álle materie zien of aanraken. De overige 85 procent is nooit door de mens waargenomen, daarom noemen we het donkere materie. Drie experts gingen tijdens NEMO Kennislink Live met moderator Desiree Hoving in gesprek over hun onderzoek naar donkere materie.

NEMO Kennislink Live

Mf29875
DigiDaan voor NEMO

In een serie informatieve discussieavonden op het dak van NEMO Science Museum brengt NEMO Kennislink, in samenwerking met diverse partners, actuele wetenschap en een algemeen publiek bij elkaar om kennis en inzichten te delen. Aansprekende onderwerpen gepresenteerd op een laagdrempelige manier zorgt voor stof tot nadenken en -praten. Lees meer over NEMO Kennislink Live.

Het is gezellig druk in de Panoramazaal in Science Museum NEMO. Wanneer de aanwezigen gevraagd wordt om een hand op te steken als je denkt dat donkere materie bestaat, doet meer dan de helft dat. Terwijl niemand ooit donkere materie heeft waargenomen. Er zijn natuurlijk ook mensen die het niet zeker weten. “Het is nog niet bewezen”, zegt een man uit het publiek, “maar ik sluit het niet uit, alles is mogelijk.”

Donkere materie is toch wel heel raadselachtig. Het is er waarschijnlijk wel, maar je ziet het niet. Hoe onderzoek je dan zoiets? Dat leggen drie wetenschappers uit tijdens een discussieavond van NEMO Kennislink Live.

Astronomische aanwijzingen

Het is niet zomaar verzonnen, er zijn aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie, benadrukken de experts. “Met technologie zien we verschillende onderdelen van het heelal”, vertelt Jacco Vink, astrofysicus aan de Universiteit van Amsterdam. “We kunnen met satellieten en telescopen röntgenstraling, radiostraling, gammastraling en zichtbaar licht in het heelal opmerken. Maar wat we waarnemen, verklaart nog niet alles wat er in het heelal gebeurt. Er moet meer zijn.”

P1030482
Jacco Vink vertelt over allerlei soorten straling die waarneembaar zijn met verschillende technologieën. We kunnen alleen geen donkere materie waarnemen.
NEMO Kennislink

Onderzoek uit het verleden toont aan dat er meer materie is dan mensen kunnen zien. Zo onderzocht Fritz Zwicky, fysicus en astronoom, in 1937 hoe het mogelijk is dat sterrenstelsels met duizend kilometer per seconde om elkaar heen vliegen, maar niet van elkaar weg gaan. De reden hiervoor is dat er zwaartekracht aanwezig is, dat afkomstig moet zijn van donkere materie.

Lichtombuiging donkere materie
Dit is een foto van een cluster van sterrenstelsels, gemaakt door de NASA’s Hubble Space Telescope. De ombuiging van licht is hier duidelijk te zien.

Een volgende grote stap naar het aantonen van donkere materie kwam van astronome Vera Rubin in de jaren zeventig. Zij onderzocht de sterren aan de rand van sterrenstelsels. Het blijkt dat deze sterren niet langzamer bewegen dan de sterren dicht bij het middelpunt van zo’n stelsel. Ook lijken ze veel sneller te bewegen dan de natuurwetten voorspellen. De aanwezigheid van donkere materie kan dit verklaren.

Deze observaties uit het verleden geven duidelijke aanwijzingen voor donkere materie, vermeldt Vink. Daarbij is er nog een astronomische aanwijzing te benoemen. Sterke zwaartekrachtvelden afkomstig van bijvoorbeeld een sterrenstelsel, ook wel zwaartekrachtlenzen genoemd, buigen door zwaartekracht het licht van een daarachterliggend sterrenstelsel af. Door deze ombuiging van het licht te berekenen, weten we hoeveel materie er moet zijn. En het blijkt dat er meer materie is dan wij mensen kunnen zien.

Kosmologische aanwijzingen

Donkere materie is niet alleen astronomisch aantoonbaar, maar ook kosmologisch. Kosmologie is de wetenschap die de evolutie van het heelal bestudeert en zich vooral bezighoudt met het verleden, de ontwikkelingen en de toekomst van het heelal.

De oerknal en de uitdijing van het heelal worden binnen de kosmologie onderzocht. Jan Pieter van der Schaar, theoretisch fysicus aan de Universiteit van Amsterdam, kijkt naar aanwijzingen voor donkere materie door deze fenomenen te onderzoeken. “De uitdijing van het heelal veronderstelt een heelal dat lang geleden veel dichter, en dus ook heter was. De massa was zo dicht dat er geen sterren konden bestaan. Je zou in dit heelal niet om je heen kunnen kijken, omdat licht niet vrij door het heelal kon reizen. Het vroege heelal bestond enkel uit geladen deeltjes”.

P1030564
Jan Pieter van der Schaar (rechts) legt aan de hand van de oerknal uit welke aanwijzingen er zijn voor het bestaan van donkere materie.
NEMO Kennislink

Het bewijs van de oerknal is kosmische achtergrondstraling, het eerste licht in het heelal. Dit kunnen we nog altijd zien. Van der Schaar vertelt dat dit het bewijs is dat het heelal ‘plat’ is. Maar er is echter veel minder materie in het heelal te zien dan de waardes die bepalen dat het plat is. Om precies te verklaren waarom het heelal plat is heb je vijf keer zoveel donkere materie nodig dan gewone materie, legt Van der Schaar uit.

Opvallend is dat zowel de aanwijzingen van Jacco Vink uit de astronomie, als die van Jan Pieter van der Schaar uit de kosmologie, suggereren dat er ongeveer dezelfde hoeveelheid donkere materie moet zijn. Is dit toeval of niet?

“Maar de kosmologie heeft geen directe verklaring voor wat donkere materie eigenlijk is, voor die vraag moet je bij Patrick zijn”, grapt Van der Schaar.

Mid artist e2 80 99s impression of the expected dark matter distribution around the milky way.ogv

Een artistieke impressie van de Melkweg met daaromheen een blauwe wolk die de mysterieuze donkere materie voorstelt.

Baanbrekend onderzoek

Patrick Decowski is net terug uit zijn onderzoekslaboratorium in Italië. “De astronomische en kosmologische aanwijzingen voor donkere materie zijn sterk”, zegt Decowski, “Ik wil echter weten waar donkere materie precies uit bestaat.” Decowski is hoogleraar experimentele astrodeeltjesfysica aan de Universiteit van Amsterdam.

Sterrenstelsels hebben een grote wolk van donkere materie om zich heen, legt Decowski uit. We kunnen aannemen dat dit ook bij de Melkweg, ons sterrenstelsel, het geval is. Dit betekent dat er telkens een ‘wind’ van donkere materie door ons heen gaat.

Decowski probeert de donkere materie waar te nemen met het experiment XENON1T. Het onderzoeksteam werkt diep onder een berg, ruim één kilometer onder de grond. In een grote watertank zit het experiment. “Deze maatregelen nemen wij om andere stralingen, zoals kosmische straling, uit te sluiten. Middenin de watertank bevindt vloeibaar xenon. Een zwaar atoom met een grote atoomkern. Daardoor is de kans waarschijnlijk groter dat donkere materie tegen het xenon botst. Doordat donkere materie waarschijnlijk overal doorheen gaat, zal het xenon alleen bewegen door donkere materie. Wanneer een botsing plaats zal vinden kunnen we de donkere materie detecteren.”

Eerste resultaten

Een jonge bezoeker stelt de vraag ‘Hoe weet je of je met die maatregelen niet ook donkere materie uitsluit?’ “Van die vraag lig ik ’s nachts wakker”, zegt Decowski, “We hebben op verschillende manieren de botsing van donkere materie proberen na te bootsen om te testen of we het niet uit sluiten. Maar dit weten we natuurlijk nooit zeker.”

“Inmiddels hebben we acht maanden continu metingen gedaan”, vertelt Decowski, “de resultaten zijn nog niet bekend, omdat we ‘geblindeerd’ onderzoeken. Tijdens het lopende experiment kijken we dus niet of er al resultaten zijn. We zijn al wel begonnen met het analyseren van de metingen, en hopen eind dit jaar met de eerste resultaten te komen.”

Niet alleen in Italië, maar ook in Amsterdam helpen onderzoekers mee aan dit experiment. Er zijn weliswaar geen bergen om een laboratorium onder te bouwen, maar in Amsterdam maken onderzoekers onderdelen voor het experiment. Ook analyseren ze in Amsterdam metingen van experimenten naar donkere materie van over de hele wereld.

P1030803
Van links naar rechts: Jacco Vink, Jan Pieter van der Schaar en Patrick Decowski beantwoorden interessante vragen uit het publiek.
NEMO Kennislink

Het publiek heeft veel vragen voor de onderzoekers. “Maar wat als we een donker materiedeeltje vinden?”, wil een aanwezige weten. Decowski stelt dat wanneer hij een deeltje zou vinden, hij verder onderzoek zal doen naar de eigenschappen ervan. “Maar als ik over tien jaar nog steeds niets heb gevonden geef ik het op”, zegt hij.

Ook de vraag wat we er eigenlijk aan dit onderzoek hebben, wordt gesteld. “De onbruikbare kennis van nu is zeer bruikbaar op de lange termijn”, antwoordt Van der Schaar, “De bedenkers van de quantummechanica waren ook niet bezig met toepassingen zoals de smartphone. Toch zou de smartphone er niet zijn geweest zonder die onderzoeken. Wat onderzoekers doen is a priori nergens goed voor, maar misschien wel over honderd jaar.”

Deze avond werd georganiseerd door NEMO Kennislink in samenwerking met GRAPPA.

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 07 oktober 2017

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.