Tijdens mijn studie natuurkunde aan de Rijks Universiteit te Utrecht, had ik als bijvak Sterrenkunde. Binnen dat vak gebied ben ik altijd geinteresseerd geweest in de kosmologie, de ontstaansgeschiedenis van onze kosmos of heelal. Ik wil daar een aantal onderwerpen uitlichten.
Dark Matter en Dark Energy
Wat is dat nu weer? Donkere materie en donkere energie?
Het zijn begrippen uit de kosmologie en zijn bedoeld om ons momentele gebrek aan kennis over de samenstelling van de kosmos te “verhullen“.
Het blijkt namelijk dat we slechts zo’n 5% van de materie en energie “kennen” die noodzakelijk is om ons heelal bij elkaar te houden, dan wel met versnelling te laten expanderen. Waar is de rest?
Die ontbrekende 95% wordt in de kosmologische literatuur “dark matter” en “dark energy” (donkere materie en donkere energie) genoemd.
Voor een goed begrip: we hebben het hier over materie en energie die niet zichtbaar is met optische middelen en dus niet te detecteren is via de elektromagnetische straling die de aarde bereikt. Op dit moment schatten de kosmologen de volgende verhouding van de zichtbare en onzichtbare materie en energie in:
- 74% donkere energie
- 22% donkere materie
- 4% waarneembare (detecteerbare) materie en energie
De ontbrekende materie en energie is noodzakelijk om de bewegingen van sterren en sterrenstelsels in ons heelal (zoals we die op aarde waarnemen) consistent te houden met onze zwaartekracht- en relativiteitstheorie.
Je zou ook de oplossing kunnen zoeken in antwoorden op vragen als:
“Zijn onze waarnemeingen wel correct?“
“Is onze zwaartekracht- en relativiteitstheorie wel correct?“
Of zelfs:
“Wordt ons heelal misschien wel bij elkaar gehouden door God?“
Voordat we daar op ingaan, eerst wat achtergronden en geschiedenis.
Het eerste idee van Dark Matter
Het was een Nederlander die als eerste (in 1932) het idee lanceerde dat er ontbrekende materie moest zijn om ons Melkwegstelsel intact te houden: Jan Hendrik Oort. Zijn berekeningen waren niet correct, maar een jaar later bewees Fritz Zwicky de theorie van Oort met de correcte berekeningen.
Opnieuw getoetst
Veel later (in 1978) werd de theorie opnieuw getoetst door Vera Rubin en Kent Ford. En zij vonden dat de buitengebieden van spiraalstelsels sneller ronddraaien dan verwacht mocht worden op grond van hun bekende massa. Er zou daarvoor meer massa aanwezig moeten zijn.
Dit fenomeen werd vanaf toen het melkwegstelseldraaiingsprobleem genoemd.
Oerknal of “Big Bang“
Donkere materie is ook een mogelijke oplossing voor bepaalde inconsistenties in de theorie van de oerknal. De oerknal of big bang is de populaire benaming van de kosmologische theorie die op basis van de algemene relativiteitstheorie aannemelijk maakt dat 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond uit een enorm heet punt (ca. 1028 K), met een bijna oneindig grote dichtheid, ofwel een singulariteit. Tegelijkertijd met de oerknal zouden ruimte en tijd zijn ontstaan. De theorie is onder meer gebaseerd op de waarneming van het voortdurend uitdijende heelal, in het bijzonder de roodverschuiving van de spectraallijnen van licht van verre sterrenstelsels. Dit wordt veroorzaakt door het zogenaamde dopplereffect.
Die singulariteit is strijdig met de algemene relativiteitstheorie, want daarin is een oneidig grote dichtheid onmogelijk.
De vraag is dus ook of we met onze theorieen, die de extrapolatie van het uitdijende heelal, terug in de tijd, moeten ondersteunen, wel dicht genoeg bij het begin kunnen komen. Er wordt dan ook veel gediscussieerd over tot hoe dicht we bij de singulariteit kunnen extrapoleren, maar zeker is dat we niet dichterbij kunnen komen dan tot ongeveer 10−43 seconde na het ontstaan van het universum.
Zwarte gaten of “Black Holes“
Het lijkt voor de hand te liggen om een relatie tussen donkere materie en zwarte gaten te veronderstellen. De kern van een zwart gat bestaat ook uit een singulariteit en lijkt daarmee op het begin van de kosmos.
Zouden de zwarte gaten in feite de donkere materie zijn? Ook hier tast men nog in het duister; het is zelfs zo dat het opnemen van donkere materie door zwarte gaten (meestal bevinden die zich in het centrum van een sterrenstelsel) impliceert dat er donkere materie verdwijnt uit de rest van het sterrenstelsel.
Dit legt weer beperkingen op aan de theorieën over de snelheid en richting van de donkere materie deeltjes. Het verklaren van de aard van donkere materie is een van de grote problemen van de kosmologie.
Noodzaak van donkere energie of Dark Energy
Naast donkere materie is er ook donkere energie noodzakelijk om, met name, de versnelling van het uitdijen van het heelal te verklaren.
Einstein wilde in eerste instantie niet geloven dat het heelal uitdijde. Daarom introduceerde hij in 1917 al een kosmologische constante in zijn veldvergelijkingen. Die konstante voorkwam dat het heelal, volgens zijn theorie, door de zwaartekracht zou instorten. Na de ontdekking van de uitdijing van het heelal trok Einstein het idee van deze anti-zwaartekracht in en noemde dit idee “zijn grootste blunder”.
Versnelling eist negatieve zwaartekracht
In de jaren negentig werd aan de hand van de studie van verre supernovae, ontdekt dat de uitdijing van het heelal zo’n vijf miljard jaar na de oerknal is gaan versnellen. De enige manier om dit te verklaren was het introduceren van een onbekende kracht die zich gedroeg als een kosmologische constante en werkte als een negatieve zwaartekracht. Deze kracht, of energie, werd donkere energie genoemd en er is nog geen afdoende verklaring voor gevonden. Een verklaring kan zijn dat “lege” ruimte zijn eigen energie heeft. Omdat dit een eigenschap van ruimte zelf is, kan ze niet “verdunnen” als gevolg van een expanderende ruimte… Andersom: als er meer ruimte ontstaat, is er ook meer van dergelijke energie.
Quintessence, het vijfde element
Sommige kosmologen hebben deze donkere energie ook wel “quintessence” genoemd, naar het vijfde element in de Griekse filosofie (ook wel aether genoemd). Volgens de Griekse filosofen zou dit element de ruimte boven de aardse sfeer vullen. En dit werd ook in de middeleeuwen geloofd. Maar dat verklaart dus evenmin iets.