We weten (bijna) zeker dat het er is, maar we kunnen het niet zien en niet meten. Toch is het grotendeels verantwoordelijk voor de vorm van ons heelal, en vallen of staan onze natuurwetten erbij. Donkere energie en donkere materie. Sinds Fritz Zwicky in 1933 uitrekende dat het overgrote deel van ons heelal uit onmeetbare zaken moet bestaan omdat anders de clustering van sterrenstelsels die we waarnemen onmogelijk is, doen talloze theorieën de ronde.

Hoeveel is er?

De Zwitser Fritz Zwicky liet in de jaren ’30 van de vorige eeuw stevige berekeningen los op een cluster van sterrenstelsels, het Coma-cluster. Hij maakte twee schattingen van de totale massa van de stelsels in het cluster: een keer door de helderheid van de sterren aan hun massa te relateren en een keer door zwaartekrachtberekeningen los te laten op de snel bewegende stelsels aan de rand van het cluster. Tot zijn verbazing ontdekte hij dat de massa die nodig is om de beweging van de stelsels te verklaren wel 400 keer zo groot is als de geschatte massa van de zichtbare stelsels. Blijkbaar zit het cluster dus vol met onzichtbare materie!

Na de berekeningen van Zwicky bleef het bijna veertig jaar stil, maar in 1970 werden met nieuwe meetinstrumenten meer aanwijzingen gevonden voor grote hoeveelheden onzichtbare massa en energie. Vera Rubin, de jonge astronome die verantwoordelijk was voor de herleving van het donkere materie-onderzoek, schatte het aandeel van deze stoffen op 50% van het heelal. Sindsdien is er heel veel onderzoek gedaan naar donkere materie, en is deze schatting vele malen naar boven bijgesteld. Volgens de laatste inzichten bestaat misschien wel 95% van het heelal uit onbekende zaken. Het lijkt erop dat het belangrijkste dat we door de sterrenkunde hebben geleerd is dat we eigenlijk maar heel weinig weten… ↑ terug naar boven ↑

Waar is het van gemaakt?

In de tweede helft van de twintigste eeuw stapelde het bewijs voor donkere materie zich op, en daarmee rees de vraag waar deze materie uit bestaat. Het feit dat het onzichtbaar en onmeetbaar is betekent dat het ofwel koud is (we kunnen namelijk alleen straling meten uit het heelal), ofwel goed verstopt zit. Daaruit kwamen de twee theorieën over donkere materie die lang als de belangrijkste golden: WIMPs en MACHOs.

De verdeling van soorten materie in het heelal, zoals we tegenwoordig denken dat het in elkaar zit.

NASA

NASA

WIMPs

De afkorting WIMP staat voor Weakly Interacting Massive Particle, een zwaar deeltje dat bijna geen interactie heeft dus. We kennen op dit moment geen deeltjes met die eigenschappen, maar dat kan komen doordat ze geen interactie met meetapparatuur hebben. Ze worden niet afgebogen door elektromagnetische straling en zenden geen licht uit.

Het bekende deeltje dat het meest op deze beschrijving lijkt is het neutrino. Het enige verschil is dat het neutrino tot voor kort helemaal geen massa leek te hebben. Pas een paar jaar geleden hebben metingen laten zien dat het waarschijnlijk niet helemaal massaloos is. Het zoeken is dus eigenlijk naar aanwijzingen voor een zwaar deeltje met de eigenschappen van het neutrino. Volgens de supersymmetrie, een toevoeging op het standaard deeltjesmodel die uit de snaartheorie volgt, moeten die deeltjes er inderdaad zijn. Maar tot nog toe hebben we geen enkel deeltje uit de supersymmetrie kunnen meten.

WIMPs zouden een ideale verklaring voor donkere materie zijn, omdat ze koud zijn en geen interactie met meetapparatuur hebben, maar wel samenclusteren onder invloed van de zwaartekracht. Het lijkt er namelijk op dat donkere materie vooral in de buurt van ‘gewone’ materie te vinden is, in dezelfde structuren dus. Maar ja, hoe vind je bewijs voor een deeltje dat zich zo goed verstopt?

In de deeltjesversneller LHC wordt naar WIMPs gezocht, onder andere met dit LHCb-experiment.

CERN

MACHOs

Als reactie op de WIMPs-theorie bedacht een andere groep wetenschappers de MACHOs: MAssive Compact Halo Objects. Binnen deze theorie is het niet nodig dat donkere materie over het hele heelal uitgesmeerd zit: het kunnen net zo goed loodzware objecten zijn die zich goed verstoppen. MACHOs zijn objecten die zich in de grensgebieden (de halo) van sterrenstelsels bevinden. Ze zenden geen of weinig licht uit, en hebben heel weinig interactie met de andere objecten in het stelsel. Het zouden zwarte gaten kunnen zijn, of neutronensterren, en misschien zelfs bruine dwergen of losgeraakte planeten.

Ondertussen weten we dat de hoeveelheid gewone materie die bij de Oerknal werd gevormd te klein is om het donkere materie-overschot te verklaren met MACHOs. Dat neemt niet weg dat ze verantwoordelijk kunnen zijn voor een deel van het onzichtbare heelal, misschien wel 20%.

Donkere energie

Een groot deel van het onzichtbare heelal kan, volgens recente inzichten, niet verklaard worden met donkere materie maar met donkere energie. Die term wordt gebruikt om een achtergrondsveld in het heelal te beschrijven. Dat veld wordt ook gebruikt in theorieën die de versnelde uitdijing van het heelal beschrijven.

Als de gemeten uitdijing van het heelal inderdaad betekent dat er een veld van donkere energie aanwezig is, dan bestaat bijna drie kwart van de massa en energie in ons heelal uit dat veld. Daarmee wordt de bijdrage van zichtbare materie gemarginaliseerd naar ongeveer 1%. Het wachten is nu op waarnemingen die deze theorie kunnen bevestigen of ontkrachten. Als het bestaat, is het ook nog een raadsel waar donkere energie van gemaakt is. De ontknoping is ook van groot belang voor ons beeld van de toekomst van het universum. Zal het blijven uitdijen, of stopt die groei een keer, en krijgen we misschien zelfs een Big Crunch?

Andere theorieën

De Nederlandse natuurkundige Theo Nieuwenhuizen haalde dit jaar het nieuws met een berekening waarin neutrino’s met hun geringe massa alle donkere materie kunnen vormen. Daarmee zou de kwestie eenvoudig zijn opgelost, maar voordat we daar iets over kunnen zeggen moeten we meer te weten komen over neutrino’s en hun massa.

Een andere oplossing voor de missende massa zit in het kritisch bekijken van de natuurwetten die tot die rekensom hebben geleid. Want hoe zeker weten we eigenlijk dat we de zwaartekracht begrijpen? En zitten er in de kwantumnatuurkunde niet nog een paar duistere plekken waar we het fijne niet van weten? Een theorie van alles, die zwaartekracht en kwantumfysica kan verenigen, levert misschien ook meteen een oplossing op voor het grootste mysterie in het heelal. ↑ terug naar boven ↑

Waar zit het, en hoe gaan we dat controleren?

Hoewel je donkere materie niet kunt zien en niet direct kunt meten, kan je wel uitrekenen waar het zit. Dat doen astronomen door zwaartekrachtberekeningen los te laten op het heelal, en uit te rekenen hoeveel materie er nodig is om het heelal er zo uit te laten zien als wij het waarnemen. Op grote schaal doen we dat al sinds de tijd van Fritz Zwicky, maar tegenwoordig kunnen we ook kleinere details in het heelal goed opmeten.

De meest veelbelovende experimenten van het moment zijn grote computersimulaties die de ontwikkeling van de zwaartekracht sinds de Oerknal in kleine stukjes van het heelal nabootsen. Dankzij die simulaties weten we nu dat donkere materie zich ophoopt op de plaatsen waar we ook heldere materie zien. Niet onlogisch, want het is aan dezelfde zwaartekracht onderhevig.

Door op deze manier plaatsen in het heelal te zoeken waar heel veel donkere materie zou moeten zitten, kunnen we ook precisiemetingen uitvoeren die signalen van de vrijwel ondetecteerbare donkere materie kunnen opvangen. NASA’s ruimtetelscoop FERMI zal zich bijvoorbeeld richten op een regio van het heelal waar veel donkere materie moet zijn, om te zoeken naar sporen van gammastraling die vrijkomt als de donkere materiedeeltjes op elkaar botsen. ↑ terug naar boven ↑