Waarom denken we dat donkere materie en donkere energie bestaan?

We weten verrassend weinig over de alomtegenwoordige kracht die 68% van alle energie in het universum uitmaakt. Wetenschappers denken dat slechts ongeveer 5% van de dingen waaruit het heelal bestaat bij ons bekend is.

Ja, dat lees je goed. Kosmische modellen laten zien dat onzichtbare energie en materie samen 95% van het heelal moeten uitmaken om volgens bestaande theorieën te kunnen werken.

Het onzichtbare deel van het heelal bestaat uit twee componenten, donkere energie en donkere materie. Dat laatste is iets minder mysterieus en wetenschappers zijn vrij zeker van het bestaan ervan: de regels van de zwaartekracht zouden zonder simpelweg niet werken. Melkwegstelsels zoals wij ze zien, zouden niet in staat zijn geweest om in die tijd die ze sinds de Oerknal hebben gehad, tot hun huidige omvang samen te stellen als zichtbare materie alles was wat er was. Sterker nog, veel sterrenstelsels zouden niet eens bij elkaar blijven zoals ze nu doen, als de zwaartekracht van zichtbare materie de enige kracht zou zijn die ze samen zou trekken.

De nieuwe Europese Euclid zal proberen dit onzichtbare spul in kaart te brengen, maar wat als de bevindingen niet aan de verwachtingen voldoen? Er staat veel op het spel, waaronder de beroemde en algemeen aanvaarde algemene relativiteitstheorie van Einstein.

De eerste waarnemingen die erop wezen dat donkere materie in het heelal moet voorkomen dat dingen uit elkaar vliegen, werden gedaan in de jaren dertig van de vorige eeuw. Sindsdien hebben astronomen ontdekt dat deze onzichtbare donkere materie minstens 85% van alle materie in het heelal moet uitmaken. Wetenschappers proberen al tientallen jaren deze onzichtbare materie te detecteren, die volgens hen uit een soort deeltjes moet bestaan, misschien verwant aan inerte neutrino’s die nauwelijks interageren met de zichtbare wereld.

De situatie met donkere energie is echter ingewikkelder. De ontdekking van deze ongrijpbare kracht dateert uit 1998, toen astronomen ontdekten dat de uitdijing van het heelal versnelt. De uitdijing zelf werd aanvankelijk aangedreven door de energie van de Oerknal, maar aangezien de Oerknal zo lang geleden plaatsvond (13,8 miljard jaar geleden om precies te zijn), zou deze uitlijning moeten vertragen.

Om dit raadsel op te lossen veronderstelden theoretici dat er een mysterieuze kracht, donkere energie, moet bestaan die tegen de zwaartekracht werkt en materie uit elkaar drijft. Kosmologische modellen tonen aan dat donkere energie verantwoordelijk is voor 68% van alle energie in het heelal. Maar astronomen geven toe dat het bewijs voor het bestaan ervan een beetje vaag is.

De versnelling van de uitdijing van het heelal slaat nergens op als je denkt dat er alleen maar zwaartekracht is. De uitdijing zou niet moeten vertragen. Dus het feit dat we zien dat de uitdijing versnelt, betekent dat er iets anders moet zijn. En we noemen dat ding gewoon donkere energie omdat we helemaal niet weten wat het is.

De beste theorie is dat donkere energie waarschijnlijk een soort eigenschap van de ruimte zelf is, zoals een soort energie die altijd en overal aanwezig is, maar er is geen verklaring voor wat dat zou moeten zijn.

Modellen laten zien dat deze energie gelijkmatig over het heelal moet worden verdeeld en altijd dezelfde sterkte heeft gehad. In de begindagen van het heelal waren de effecten van donkere energie niet zo zichtbaar, omdat de oorspronkelijke “kick” va de Oerknal het grootste deel van de uitdijing van het heelal veroorzaakte. Zo’n vijf tot zes miljard jaar geleden werd donkere energie echter een overheersende kracht die tegen de zwaartekracht van zowel normale als de donkere materie inwerkte.

Het is volgens astronomen een beetje verontrustend dat deze energie een constante dichtheid lijkt te hebben terwijl het heelal uitdijt. Het betekent dat extra energie wordt gecreëerd omdat de dichtheid constant is. Het wordt niet verdund doordat het heelal groter wordt. Het betekent dus dat er extra energie is.

Het is echter ook mogelijk dat er toch niet zoiets als donkere energie bestaat en dat de kosmologische modellen die het bestaan ervan vereisen verkeerd zijn. Deze modellen zijn gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein, die de fysische regels van het heelal beschrijft in een reeks vergelijkingen. Als toekomstige waarnemingen door de Euclides telescoop (en andere toekomstige telescopen die zijn ontworpen om donkere energie te bestuderen) suggereren dat donkere energie niet zo’n constante, alomtegenwoordige kracht is, zou dat betekenen dat deze beroemde theorie niet helemaal correct is.

We weten dat algemene relativiteit heel goed werkt op het niveau van een systeem maar er is een mogelijkheid dat het niet zo goed werkt op kosmische schaal en daarom is donkere energie niet nodig.

Euclid gaat op zoek naar bewijs van donkere energie door de verdeling van sterrenstelsels 10 miljard jaar terug in de tijd in kaart te brengen en te vergelijken hoe deze verdeling gedurende de evolutie van het heelal is veranderd. De waarnemingen zullen onthullen of er echt een constante alomtegenwoordige kracht in actie lijkt te zijn of dat er misschien iets anders aan de hand is.

We zouden kunnen ontdekken dat we de effecten van deze energieconstante niet overal zien, maar we zien ergens of in de tijd enkele verschillen. Dan wordt het echt interessant en zou het echt revolutionair zijn, omdat we onze theorieën volledig zouden moeten veranderen.

En dat zou waarschijnlijk Nobelprijzen voor de ontdekkers betekenen. De Euclid-telescoop, op 1 juli 2023 gelanceerd door een Falcon 9-raket van SpaceX, zal zes jaar nodig hebben om een derde van de hemel buiten ons eigen sterrenstelsel, in kaart te brengen. Alleen dan hebben astronomen voldoende gegevens om het zeker te weten.

Eerste publicatie: 2 juli 2023
Bron: space.com