Hoe weten we dat Donkere Materie bestaat?

Al eerder had ik het op deze site over Donkere Materie. Op de site quantumuniverse vond ik nog wat meer informatie over dit mysterieuze “spul”, waar ik in het onderstaande dankbaar gebruik van maak!

De mysterieuze substantie (Donkere Materie) straalt geen licht uit en absorbeert het ook niet; het heeft er eigenlijk geen enkele invloed op. Kortom, de op licht gebaseerde waarnemingen waar de astronomie van alle tijden van afhankelijk is (van de oude Babyloniërs tot de modernste ruimte-telescopen) zullen ons bij dit probleem niet helpen. Sterker nog, voor zover de huidige waarnemingen hebben kunnen vaststellen, heeft Donkere Materie op bijna geen enkele manier wisselwerking met onze normale, zichtbare materie. Dit maakt het ongelofelijk moeilijk om donkere materie te onderzoeken.

Maar, als Donkere Materie zo onzichtbaar is, hoe weten we dan dat ze bestaat? En als die materie bijna niets doet, hoe wordt er dan onderzoek naar gedaan? Voldoende vragen om te beantwoorden; eerst maar eens: hoe is die onzichtbare materie ontdekt?

De ontdekking van Donkere Materie

Donkere Materie is eigenlijk niet één keer, maar meerdere keren op verschillende manieren ontdekt, waardoor astrofysici steeds sterker van dit probleem werden overtuigd. Al deze ontdekkingen hangen met één concept samen: de zwaartekracht. De zwaartekracht is, voor zover we weten, de enige manier waarop Donkere Materie met zichtbare materie wisselwerkt, en dit is dan ook de manier waarop astronomen Donkere Materie hebben ontdekt.
De wetten van de zwaartekracht zijn namelijk al in 1687 beschreven door Isaac Newton, en in 1915 verbeterd door Albert Einstein. Door middel van deze zwaartekrachtwetten kunnen fysici precies uitrekenen hoeveel kracht twee massa’s op elkaar uitoefenen, en welke bewegingen daaruit moeten volgen.

Zo hebben astrofysici, door het bestuderen van de beweging van zichtbare materie, zoals sterren en gas, kunnen ontdekken dat er meer massa moet zijn dan we kunnen zien. Een groot verschil tussen de verscheidene ontdekkingen is echter de schaal: de effecten van donkere materie zijn op veel verschillende lengteschalen waargenomen, van zeer nabije sterren tot en met de structuur van het gehele heelal.

Laten we bij het begin beginnen en dat is de ontdekking op de kleinste schaal.

Sterren, sterrenstelsels en clusters

Eén van de eersten die het bestaan van onzichtbare massa opmerkte was de Nederlandse astronoom Jan Hendrik Oort. In 1932 bestudeerde hij de bewegingen van naburige sterren, en concludeerde dat de massa in ons deel van de Melkweg groter moet zijn dan die van waargenomen sterren en gas. Zijn berekeningen bleken echter geen afdoende bewijs. 

De eerste die overweldigend bewijs voor het bestaan van Donkere Materie verzamelde, was de Amerikaanse astronome Vera Rubin.
Tussen 1960 en 1970 observeerde ze met haar collega Kent Ford de rotatiekrommen van tientallen sterrenstelsels. In een rotatiekromme wordt de rotatiesnelheid (v) van de sterren rond het centrum van het sterrenstelsel uitgezet tegen hun afstand (R) tot dat centrum, zoals te zien is in afbeelding hieronder.

Als je weet wat de massa van de sterren en het gas in het sterrenstelsel is, kun je de vorm van deze rotatiekromme voorspellen door middel van Newtons zwaartekrachtwetten.

De centripetaalkracht (F_c) die nodig is om een roterende ster met massa (m) in zijn baan te houden,

F_c=mv²/R

is namelijk gelijk aan de zwaartekracht die op massa (m) wordt uitgeoefend:

F_g=GM(<R)m/R²

In deze formule is G de zwaartekrachtconstante, en M(<R) betekent alle massa die zich binnen de baan van massa (m) (op afstand R van het centrum) bevindt. Door de formule F_c = F_g op te lossen, vinden we dat de rotatiesnelheid (v) als functie van de straal (R) tot het centrum gelijk is aan:

v=√(GM(<R)/R)

We zien hier dat de rotatiesnelheid onafhankelijk is van de massa (m) van de ster, maar enkel afhangt van de totale massa M(<R) binnen de baan van het object, en van de straal (R) van deze baan. Zoals te zien is in de bovenstaande afbeelding van de rotatiekromme, hoopt de meeste zichtbare massa van een sterrenstelsel zich op in het centrum.
Als we de massa binnen een bepaalde straal R beschouwen, komt er buiten het centrum dus bijna geen massa meer bij, en kunnen we GM(<R) beschouwen als een constante. Buiten het lichtgevende centrum van het sterrenstelsel zou de rotatiesnelheid dus evenredig moeten zijn met √(1 / R). Deze rotatiekromme is te zien als de onderste witte stippellijn in de afbeelding hierboven.
Tot haar verbazing observeerde Vera Rubin echter dat de rotatiesnelheid (v) niet daalde met afstand (R), maar gelijk bleef of zelfs bleef stijgen!
Deze waarnemingen worden in de afbeelding hierboven getoond op de bovenste doorgetrokken lijn, die zijn gemeten door middel van het licht van roterende sterren (geel) of gas (lichtblauw).

Het is niet verwonderlijk dat Vera Rubin’s ontdekking in eerste instantie sceptisch werd ontvangen. Haar waarnemingen bevestigden echter wel een vermoeden dat twee grootheden uit de astronomie al eerder hadden uitgesproken.
In 1933, een jaar na het onderzoek van Oort, merkte ook de Zwitser Fritz Zwicky, tijdens zijn onderzoek naar clusters van melkwegstelsels, dat de stelsels aan de rand van het Coma-cluster te snel bewogen om door de zwaartekracht van de zichtbare materie bij elkaar gehouden te worden. Het cluster moest daarvoor zo’n 400 keer zwaarder zijn dan op grond van het zichtbare gas en de sterrenstelsels werd berekend.
Fritz Zwicky noemde deze missende massa zelfs al ‘Donkere Materie’. Vera Rubin stond dus al snel niet alleen: van alle kanten bleek dat er iets niet in de haak was.

Twee kosmische kampen

Voor zover we nu weten, kunnen al deze waarnemingen kortweg twee dingen betekenen:

1. Als de totale massa van objecten veel groter is dan kan worden afgeleid uit zichtbare materie, moet er een onzichtbare massa-component zijn die ervoor zorgt dat zowel afzonderlijke sterrenstelsels als clusters zo snel kunnen roteren zonder uit elkaar te vliegen. Deze massa wordt Donkere Materie genoemd.
2. De zwaartekrachtwetten van Newton en Einstein werken op de kosmische schaal niet hetzelfde als op kleine schaal, zoals op aarde en binnen ons zonnestelsel. Er moet een aanpassing op de huidige zwaartekrachttheorie komen, ook wel “geModificeerde Newtoniaanse Dynamica” (MoND) genoemd.

In beide kampen werken grote groepen astrofysici al jaren aan een definitieve verklaring van het probleem van Donkere Materie, maar tot de dag van vandaag is de strijd nog altijd niet beslecht.

Hoe kom je er nu achter welke van deze twee opties donkere materie het beste verklaart?
En als donkere materie echt materie is, waar kan het dan uit bestaan?
Of zo niet, welke aanpassing moeten we aan onze zwaartekrachtwetten maken om deze met de natuur te laten kloppen?

Buigende ruimte-tijd

Een andere methode (dan de zwaartekrachtwet van Newton) is in 1915 door Albert Einstein voorspeld in zijn algemene relativiteitstheorie. In deze theorie zijn ruimte en tijd niet statisch en strikt gescheiden, maar een vierdimensionaal geheel (de ruimte-tijd) dat kan inkrimpen, uitrekken en buigen.
Volgens Einstein is zwaartekracht niets anders dan kromming van de ruimte-tijd. Elke massa vervormt de ruimte-tijd, en kan daardoor het pad van een andere massa veranderen of zelfs dat van een lichtstraal buigen. In het laatste geval wordt dit effect “gravitationele lenswerking” genoemd. Dit effect is voor het eerst waargenomen door de Britste astronoom Arthur Eddington in 1919. Hij reisde met een telescoop en fotografische platen naar West-Afrika, om daar tijdens de zonsverduistering de sterren die rondom de zon lijken te staan waar te nemen.

Doordat de zwaartekracht van de zon de ruimte-tijd kromt, waren de lichtstralen van deze sterren gebogen en leken ze verder van de rand zon te staan dan in werkelijkheid, zoals hierboven geïllustreerd. Eddington bewees met zijn waarneming dat Einsteins zwaartekrachttheorie de juiste was, waardoor Einstein in één klap beroemd werd.

MoND raakt uit de gratie door Kogel-cluster

Als donkere materie echt bestaat, kan deze methode ook gebruikt worden om die materie te vinden.
Het heelal is namelijk vrijwel homogeen gevuld met sterrenstelsels. Als het licht van deze sterrenstelsels naar de aarde reist, kan het in de buurt komen van een wolk donkere materie. De zwaartekracht van donkere materie vervormt de ruimte-tijd, waardoor het licht van de sterrenstelsels afbuigt. De sterrenstelsels die, vanaf de aarde gezien, achter de massaverdeling staan, lijken hierdoor vervormd.

In deze waarneming is de vervorming van het licht van de sterrenstelsels op de achtergrond zo sterk, dat direct te zien is waar de massa zich moet bevinden. In het geval van Donkere Materie is dit effect echter zo zwak, dat je het aan een paar sterrenstelsels niet merkt. Alleen als je de vervorming van duizenden sterrenstelsels tegelijk zeer nauwkeurig meet, kun je een gemiddeld effect waarnemen en in kaart brengen wat de massaverdeling van de donkere materie zou moeten zijn. Deze methode is gebruikt om uit te zoeken of donkere materie echt bestaat, of dat we onze zwaarte-krachtwetten moeten aanpassen.

In 2003 werd onder leiding van Douglas Clowe onderzoek gedaan naar een object dat de “Kogel-cluster” wordt genoemd, omdat het bestaat uit een kleinere cluster van melkwegstelsels die in botsing is met een groter exemplaar, zie afbeelding hieronder.

Wanneer de mysterieuze missende massa werkelijk bestaat als materie, dan zijn de twee clusters oorspronkelijk opgebouwd uit drie componenten: sterrenstelsels, gas en Donkere Materie.
Van de Donkere Materie en de sterrenstelsels verwacht men dat het tijdens een botsing niet noemenswaardig wissel-werkt. Donkere Materie oefent namelijk alleen de uiterst zwakke zwaartekracht uit, en sterrenstelsels in clusters staan te ver uit elkaar om een grote kans op botsing te hebben. Het enige dat naar verwachting op elkaar moet knallen is het gas, waarin zich altijd het grootste gedeelte van de (normale, zichtbare) massa van een cluster bevindt. Met andere woorden: de melkwegstelsels en eventuele Donkere Materie van de twee clusters zouden tijdens de botsing door elkaar heen moeten zijn gevlogen, en nu op geruime afstand zijn gekomen van de twee klonten waterstofgas die in het midden tegen elkaar zijn blijven plakken.

De waarneming in de afbeelding hierboven toont aan dat dit inderdaad het geval is: de twee roze wolken in het midden van de afbeelding laten de röntgenwaarneming van het gebotste waterstofgas zien, terwijl de twee blauwe vlekken aan de buitenkant de plek representeren waar de meeste (donkere, onzichtbare) massa zich bevindt.
Deze blauwe massaverdeling is gelokaliseerd door middel van de zojuist beschreven lenswerking van de zwaartekracht. Hierdoor weten we dat de locatie van deze wolken onzichtbare massa samenvalt met die van de niet-wisselwerkende melkwegstelsels, die maar een fractie van de massa van de cluster bezitten. Als donkere materie niet zou bestaan zou de meeste massa zich op de locatie van het gas moeten bevinden, omdat er in zwaartekrachttheorieën tot nu toe altijd is aangenomen dat de locatie van de grootste hoeveelheid massa moet samenvallen met de locatie van de grootste hoeveelheid materie. 
Door deze aanwijzing heeft MoND flink in populariteit ingeboet, en geloven de meeste astronomen nu dat donkere materie echt bestaat.

MACHO’s en WIMPs

Maar zelfs binnen het Donkere-Materiekamp heerste tweedeling: bestaat de onzichtbare massa uit MACHO’s (Massive Compact Halo Objects) of WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles)? 
MACHO’s zijn massieve, compacte objecten die geen licht uitzenden, maar wel bestaan uit normale materie. Dit kunnen bijvoorbeeld zwarte gaten, neutronensterren, bruine dwergen of losgeslagen planeten zijn, die in een halo rondom een melkwegstelsel rondzweven.
WIMPs daarentegen bestaan niet uit normale materie, maar zijn zwak-wisselwerkende deeltjes van een onbekend soort. Ze zenden geen licht uit en buigen het niet af, en wisselwerken (afgezien van de zwaartekracht) niet of zeer zwak met normale materie.

Door hun grote en compacte massa kunnen MACHO’s binnen ons Melkwegstelsel makkelijk worden gezocht, door de effecten waar te nemen van hun gravitationele lenswerking op sterren. Wanneer zo’n zwaar object tussen de aarde en een ster beweegt, werkt de MACHO als een gravitatielens die als een soort kosmisch vergrootglas het waargenomen licht van de ster versterkt. Deze zoektocht, die door verschillende onderzoeksgroepen is ondernomen, wijst echter uit dat er te weinig MACHO’s zijn om een significante fractie van de missende massa in ons Melkwegstelsel te verklaren. Hiermee zijn MACHO’s grotendeels uitgesloten als oplossing voor het probleem van de missende massa.

Dan toch WIMPs ?

Vanwege hun veel kleinere massa en formaat is het detecteren van WIMPs echter een stuk lastiger. Gelukkig moeten, om te verklaren hoe Donkere Materie in het begin van het universum uit normale materie is ontstaan, donkere en normale materie echter in elkaar omgezet kunnen worden. Donkere en normale materie zouden in theorie dus met elkaar moeten wisselwerken. De voorspelde interactie tussen normale en Donkere Materie is echter zeer zwak, waardoor de zoektocht naar WIMPs en andere kandidaat-deeltjes, die op verschillende manieren wordt ondernomen, nog altijd voortduurt.

En intussen is de geachte lezer inmiddels alweer door miljarden deeltjes van Donkere Materie doorkliefd, zonder er ook maar iets van te merken.