Wat is donkere materie?

Donkere materie
Op deze opname van de Hubble telescoop is een wazige “ring” van donkere materie zichtbaar in het cluster van sterrenstelsel Cl 0024+17.
Credit: NASA, ESA, M.J. Jee and H. Ford (Johns Hopkins University)

Ongeveer 80% van de massa van het heelal bestaat uit materie die wetenschappers niet rechtstreeks kunnen waarnemen. Deze materie zendt geen licht of energie uit en is daarom bekend als “donkere materie”.

In de vijftiger jaren van de vorige eeuw wezen studies van andere sterrenstelsels uit dat het heelal meer materie bevat dan we met het blote oog kunnen zien. Er is nog steeds geen direct bewijs voor het bestaan van donkere materie omdat het niet is waargenomen maar wetenschappers hebben wel sterke aanduidingen dat deze donkere materie bestaat.De gebruikelijke materie waar het heelal uit bestaat wordt baryonische materie genoemd en is samengesteld uit protonen, neutronen en elektronen. Donkere materie kan baryonisch of niet-baryonisch zijn. Om de elementen waaruit het heelal bestaat bij elkaar te houden moet donkere materie ongeveer 80% van het totaal zijn.

kandidaten voor donkere materie

Het kan zijn dat de missende materie gewoonweg veel moeilijker is te detecteren maar wel uit regulier baryonische materie bestaat. Potentiële kandidaten zijn dan o.a. hele zwakke bruine dwergen, witte dwergen en neutronensterren. Ook supermassieve zwarte gaten zouden er deel van kunnen uitmaken. Probleem hierbij is dat deze objecten een veel belangrijkere rol zouden moeten spelen in het heelal om de missende materie te kunnen verklaren. Er zijn aanduidingen dat donkere materie uit veel exotischere samenstelling heeft.

De meeste wetenschappers nemen aan dat donkere materie uit niet-baryonische materie bestaat. De belangrijkste kandidaat hier voor zijn WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles). Dit zijn deeltjes met een massa van 1/10-de tot 1/100-ste van een proton. Omdat er nauwelijks interactie is met normale materie zijn ze heel moeilijk te detecteren. Neutralino’s, zware hypothetische deeltjes die zwaarder en langzamer zijn dan neutrino’s zijn een tweede belangrijke kandidaat echter het bestaan is nog niet aangetoond. Ook het kleine neutrale axion en het ongeladen fotino zijn potentiële kandidaten voor donkere materie.

Ook steriele neutrino’s zijn een kandidaat. Neutrino’s zijn deeltjes die geen deel uit maken van de normale materie. Er stromen heel veel neutrino’s van de Zon af maar omdat de niet reageren met normale materie gaan ze dwars door de Aarde en ons heen. Er zijn drie bekende type neutrino’s; een vierde type, de steriele neutrino, is de potentiële kandidaat voor de donkere materie. De steriele neutrino reageert alleen met behulp van zwaartekracht met de normale materie.

Er is nog een andere mogelijkheid en dat is dat de zwaartekrachtswetten die de beweging van objecten beschrijven en die tot nu toe goed voldoen toch niet helemaal compleet zijn.

Als wetenschappers donkere materie niet kunnen zien hoe weten ze dan dat donkere materie moet bestaan?

Wetenschappers berekenen de massa van grote objecten in de ruimte door hun beweging te bestuderen. Astronomen die in de vijftiger jaren van de vorige eeuw spiraalstelsels onderzochten verwachtten dat materie in de kern veel sneller zou bewegen dan aan de randen. In plaats daarvan zagen ze dat sterren in het centrum net zo snel bewogen als sterren aan de rand wat er op duidde dat er meer materie aanwezig moest zijn dan werd ze konden aantonen. Studies van gas in elliptische sterrenstelsels duiden er ook op dat er meer materie aanwezig moet zijn dan gedetecteerd kon worden. Clusters van sterrenstelsels zouden uit elkaar bewegen als ze alleen de materie zouden bevatten die met conventionele technieken bepaald kon worden.

Albert Einstein heeft aangetoond dat licht in het heelal door zware objecten kan worden verstoord en kan worden afgebogen. Door een studie uit te voeren van hoe licht wordt verstrooid in het heelal hebben wetenschappers een kaart met de verdeling van donkere materie in het heelal kunnen maken.

Al deze methodes hebben een sterk bewijs opgeleverd dat de meeste materie in het heelal op dit moment onzichtbaar is voor ons.

Experimenten

Hoewel donkere materie heel anders is dan gewone materie lopen er een aantal experimenten om dit ongebruikelijke materiaal te detecteren.

De AMS (Alpha Magnetic Spectrometer) is een hele gevoelige deeltjesdetector die sinds 2011 aan boord van het International Space Station zijn werk doet. Tot nu toe heeft de detector ongeveer 100 miljard kosmische stralen gedetecteerd. Er is een overvloed aan positronen gemeten. Dit zijn de anti-materie tegendeeltjes van elektronen. Dit overschot is vermoedelijk afkomstig van donkere materie en niet van vreemde astrofysische bronnen maar onderzoekers zeggen dat ze nog een aantal jaren onderzoek nodig hebben om dit te bevestigen.

Op Aarde ligt onder een berg in Italië de LNGS’s XENON1T. Hier wordt jacht gemaakt op signalen van interacties nadat WIMP’s botsen met atomen van xenon. (WIMPs = Weakly Interactive Massive Particles). Dit project heeft zijn eerste resultaten gepubliceerd.

In een goudmijn in de Amerikaanse staat Zuid Dakota bevindt zich het Large Underground Xenon donkere materie experiment (LUX). Ook hier wordt gezocht naar interacties tussen WIMPs en Xenon. Dit experiment heeft nog geen mysterieuze materie aangetoond.

Onder het ijs van Antarctica bevindt zich het IceCube Neutrino Observatory. Hier wordt gezocht naar steriele neutrino’s. Steriele neutrino’s reageren alleen met gewone materie door middel van zwaartekracht. Ze zijn een sterke kandidaat voor donkere materie.

Andere instrumenten zoeken niet naar donkere materie maar naar de effecten er van. De Max Planck ruimtetelescoop van de ESA heeft sinds zijn lancering in 2009 een kaart van het heelal gemaakt. Door te kijken hoe de massa van het heelal reageert kan de ruimtetelescoop zowel donkere materie als donkere energie bestuderen.

In 2014 maakte de Fermi Gamma Space Telescope kaarten van het centrum van ons sterrenstelsel in het licht van gammastraling. Hierbij kwam een overschot aan gammastraling naar boven toe vanuit het centrum. Dit signaal is niet op een normale manier te verklaren maar komt wel overeen met de voorspellingen van eenvoudige modellen over donkere materie.

Het overschot kan worden verklaard door annihilaties van donkere materie deeltjes me een massa tussen 31 en 40 miljard elektronvolt. Het resultaat is geen direct bewijs voor donkere materie; er zijn nog aanvullende gegevens nodig van andere projecten om de resultaten te kunnen valideren.

Ofschoon donkere materie verantwoordelijk is voor 80% van de materie van het heelal is het slechts voor 25% verantwoordelijk voor de samenstelling. Het heelal wordt gedomineerd door donkere energie.

Na de oerknal begon het heelal uit te dijen. Ooit dachten wetenschappers dat deze uitdijing ooit zou stoppen door een gebrek aan energie. De uitdijing zou worden vertraagd door de zwaartekracht die objecten aantrekt. Studies aan ver weg staande supernova’s hebben echter aangetoond dat het heelal tegenwoordig sneller uitdijt dan in het verleden en niet langzamer. Dit duidt er op dat de uitdijing wordt versneld. Dit kan alleen maar als er genoeg energie in het heelal aanwezig is die sterker is als de zwaartekracht. Dit wordt donkere energie genoemd.

 

Eerste publicatie: 11 augustus 2013
Laatste revisie: 25 juni 2017