Voor zover wetenschappers kunnen zien, is slechts 5% van het universum zichtbaar, inclusief de aarde, de zon, andere sterren en sterrenstelsels die zijn gemaakt van protonen, neutronen en elektronen die tot atomen zijn samengebundeld. De rest is volgens NASA gemaakt van een onzichtbare substantie die donkere materie (‘dark matter’) wordt genoemd (27%) en een kracht die de zwaartekracht afstoot, bekend als donkere energie (68%, ‘dark energy’). De percentage fluctueren afhankelijk van de wetenschapper, maar de orde van grootte is door allemaal erkend.
Computersimulatie
De laatste tijd hebben wetenschappers gewerkt aan het recept voor de vorming van sterrenstelsels, waarbij ze computersimulaties hebben uitgevoerd. De algoritmes werden gevoed met onze kennis van hoe het universum is geëvolueerd, maar alleen de parameter van het gedrag van donkere materie heeft men aangepast om te zien wat er zou kunnen gebeuren. En wat blijkt: donkere materie gedraagt zich zelfs vreemder is dan we dachten.
Ons beste kosmologische model van hoe het universum de vorm aannam die we vandaag de dag zien, heet lamda-CDM. Dit wiskundige model van de oerknaltheorie gaat ervan uit dat de kosmos uit drie componenten bestaat:
- gewone materie,
- een nog steeds mysterieuze energie die donkere energie wordt genoemd en
- koude donkere materie.
Koude en/of warme donkere materie
Vanwege enkele problemen met de theorieën over koude donkere materie, hebben sommige astronomen en wetenschappers zich tot allerlei complexe modellen voor donkere materie gewend. Sommige hiervan omvatten een mengsel van koude en warme donkere materiecomponenten, terwijl andere betrekking hebben op zelfvernietigende donkere materie.
In scenario’s met alleen koude donkere materie hebben de deeltjes alleen interactie via de zwaartekracht, maar in veel van de nieuwe benaderingsideeën zijn andere interacties mogelijk.
Wel/geen Melkweg mogelijk
Mariangela Lisanti, een deeltjesfysicus aan de Princeton University, en haar team hebben het recept voor de vorming van sterrenstelsels verbeterd door computersimulaties uit te voeren door het gedrag van donkere materie aan te passen om te zien wat eruit zou komen. De wetenschappers probeerden te zien wat er zou gebeuren als donkere materie complexer zou zijn dan onderzoekers doorgaans aannemen. Lisanti verwisselde een klein deel van de standaard donkere materie met iets meer samengestelde materie. “We dachten: we voegen er maar 5 procent aan toe, alles komt goed. En toen braken we gewoon de melkweg”, vertelde de wetenschapper.
Het team heeft ontdekt dat het transformeren van slechts 5% van de koude donkere materie het onmogelijk maakte om de Melkweg te vormen. “Ik denk dat dat een interessante les was. We moeten heel voorzichtig zijn als we aan nieuwe modellen denken. Je hoeft niet veel andere vormen van donkere materie aan je modellen toe te voegen om de astrofysica echt te verpesten”, legt Lisanti uit.
Supersymmetrie
Lisanti en haar collega’s zijn niet de enigen die het mysterie van de donkere materie proberen te ontrafelen. David Curtin, een theoreticus aan de Universiteit van Toronto, Canada, heeft een andere vorm van supersymmetrie ontwikkeld. Het stelt dat alle materie wordt omgezet in een dubbele reeks deeltjes: elk met hun eigen reeks krachten, in plaats van de krachten hetzelfde te houden. Dit zou betekenen dat tweelingdeeltjes geen interactie kunnen hebben met andere deeltjes dan via e zwaartekracht. Want dan zouden ze donkere materie worden, maar met het surplus aan krachten zouden ze toch met elkaar kunnen interageren.
Onzichtbaar
Curtin noemt dit atomaire donkere materie. “Die lijkt veel op onze materie; het koelt af, het stort in, het vormt schijven, het vormt sterren – maar wel donkere sterren”, legde hij uit. Het klinkt misschien als een vreemd concept, maar een onzichtbaar sterrenstelsel zou een unieke vingerafdruk hebben die we met toekomstige telescopen zouden kunnen zien.
Als deze onderzoeker gelijk heeft, zullen donkere sterren een schijfachtige structuur van sterrenstelsels hebben gevormd die licht door de zwaartekracht zullen afbuigen in een proces dat microlensing wordt genoemd. Het effect hiervan is dat sterren op de achtergrond tijdelijk helderder worden. “Als je een microlenssignaal vindt dat geconcentreerd is in de Melkwegschijf, is dat een zeer sterke indicator voor atomaire donkere materie,” legt Curtin uit.
Mark Vogelsberger van het Massachusetts Institute of Technology en Alyson Brooks van de Rutgers University in New Jersey doen soortgelijk werk: het testen van de vele mogelijke combinaties van donkere materiedeeltjes en krachten om het recept te vinden dat sterrenstelsels produceert zoals die we kunnen waarnemen.
Biografie van donkere materie
Hoewel wetenschappers nog steeds werken aan het concept van donkere materie, is het belangrijk om te vermelden dat astronomen tot de 20e eeuw niet eens op de hoogte waren van het bestaan van dit mysterieuze fenomeen.
1933
Donkere materie werd voor het eerst afgeleid door de Zwitsers-Amerikaanse astronoom Fritz Zwicky. In 1933 ontdekte hij dat de massa van alle sterren in de Coma-cluster van sterrenstelsels slechts ongeveer 1% van de massa opleverde die nodig was om te voorkomen dat de sterrenstelsels aan de zwaartekracht van de cluster zouden ontsnappen. De ontbrekende massa bleef decennia lang ter discussie staan, tot in de jaren zeventig de Amerikaanse astronomen Vera Rubin en W. Kent Ford het bestaan ervan bevestigden door de waarneming van een soortgelijk fenomeen.
1970
In de jaren zeventig observeerde astronoom Vera Rubin het Andromedastelsel, toen ze ontdekte dat het een ‘vlakke rotatiecurve’ had: de buitenste delen van het sterrenstelsel roteerden net zo snel als de binnenste delen, terwijl ons begrip van de zwaartekracht zegt dat de buitenste delen van het sterrenstelsel roteren langzamer als de sterren de enige aanwezige massa zijn. Dat suggereerde dat er meer in de Melkweg zat dan op het eerste gezicht leek.
1973
Vervolgens toonde onderzoek uit 1973 door James Peebles, samen met collega-astrofysicus Jerry Ostriker, aan dat schijfstelsels zoals onze Melkweg of Andromeda niet stabiel kunnen zijn tenzij ze zijn ingebed in gigantische halo’s van donkere materie.
1984
In 1984 beschreef de Amerikaanse astrofysicus Sandra Faber de evolutie van een koud, door donkere materie gedomineerd universum. Zij en haar toenmalige collega’s gaven een gedetailleerde beschrijving van de vorming van bolvormige sterrenhopen, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, en bespraken zelfs mogelijke kandidaten voor de koude donkere materie van James Peebles.
Recentelijk heeft zorgvuldiger onderzoek van de structuur van het universum nieuwe redenen opgeleverd om aan koude donkere materie te twijfelen. Het concept werkt misschien goed op de grootste schaal, maar op de schaal van individuele sterrenstelsels lijkt het iets onvolledig.
2018
Volgens het koude-donkere-materiemodel zouden er sub-halo’s van donkere materie van elke omvang, tot massa’s vergelijkbaar met de aarde, moeten bestaan. Dit zou een heleboel onzichtbare kanonskogels betekenen die rond de Melkweg zweven en in wisselwerking staan met sterrenstromen. Toch is er nauwelijks enig bewijs gevonden, behalve in 2018, toen Adrian Price-Whelan en Ana Bonaca ontdekten dat een bepaalde sterrenstroom, beter bekend als GD-1, gaten heeft in de lengte, alsof het meerdere keren is geraakt.
Een andere recentere twijfel over het concept van koude materie is dat simulaties aantonen dat halo’s dichter naar het centrum van de Melkweg toe moeten worden: hoe dichter je bij het centrum komt, hoe meer donkere materie per volume-eenheid zou moeten zijn. Wanneer astronomen echter kijken naar de manier waarop sterrenstelsels bewegen, is dit niet wat ze zien. De donkere materie lijkt gelijkmatig verdeeld over de halo van onze Melkweg, vooral in de kerngebieden. Dat zou een aanwijzing kunnen zijn dat er iets complexer aan de hand is.
Nu
Ondanks alle nieuwe benaderingen van donkere, zijn sommige wetenschappers en astronomen, bijvoorbeeld de theoretische astrofysicus professor Mike Boylan-Kolchinare, nog steeds erg voorzichtig met het terzijde schuiven van het concept van koude donkere materie. “Er zijn veel kleine aanwijzingen dat de zaken in ieder geval niet zo eenvoudig zijn als je zou denken, maar het is ook niet duidelijk dat er iets ingewikkelders aan de hand is” legde hij uit.
Wetenschappers hebben verschillende ideeën over wat donkere materie zou kunnen zijn, vanuit de leidende hypothese dat
- donkere materie bestaat uit exotische deeltjes die geen interactie hebben met normale materie of licht, maar die nog steeds een aantrekkingskracht uitoefenen
- tot de gedachten dat de effecten van donkere materie zouden kunnen worden verklaard door het fundamenteel wijzigen van onze theorieën over de zwaartekracht.
De nieuwe manier om donkere materie als complex te beschouwen kan zo simpel zijn als
- subatomaire deeltjes die tegen elkaar stuiteren, of
- zo ingewikkeld als families van donkere deeltjes die donkere atomen, sterren en zelfs sterrenstelsels vormen.
“Wat essentieel is, is onzichtbaar voor het oog”, zei Antoine de Saint-Exupéry.
