Begrippen - definities

Wat is donkere materie?

Donkere materie is het mysterieuze spul dat het heelal vult maar dat niemand ooit heeft gezien.

Meer dan 80% van alle materie in het heelal bestaat uit materiaal dat wetenschappers nog nooit hebben gezien. Het wordt donkere materie genoemd en we nemen aan dat het bestaat want zonder donkere materie kunnen we het gedrag van sterren, planeten en sterrenstelsels eenvoudigweg niet verklaren. In dit artikel beschrijven we wat we weten over donkere materie, althans wat we denken te weten …

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)

Wat is donkere materie en waarom is het onzichtbaar?

Donkere materie is volledig onzichtbaar. Het zendt geen licht of energie uit en het kan dus niet met conventionele sensoren en detectoren worden gezien. Wetenschappers denken dat de sleutel tot het ongrijpbare karakter moet worden gezocht in de samenstelling.

Zichtbare materie, ook wel baryonische materie genoemd, bestaat uit baryonen. Dit is een overkoepelende naam voor subatomaire deeltjes zoals protonen, neutronen en elektronen. Wetenschappers speculeren over waar donkere materie van is gemaakt. Het kan zijn samengesteld uit baryonen maar het kan ook niet-baryonisch zijn. Dat wil zeggen dat het uit verschillende soorten deeltjes bestaat.

De meeste wetenschappers denken dat donkere materie is samengesteld uit niet-baryonische materie. De hoofd kandidaat, WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles = zwak interactieve zware deeltjes) wordt verondersteld tien tot honderd keer de massa van een proton te hebben maar hun zwakke interactie met “normale” materie maakt ze moeilijk te detecteren. Neutralino’s, zware hypothetische deeltjes die zwaarder en langzamer zijn dan neutrino’s, zijn de belangrijkste kandidaat. Helaas heeft niemand ze nog gezien.

Steriele neutrino’s zijn een andere kandidaat. Neutrino’s zijn deeltjes die geen gewone materie vormen. Een rivier van neutrino’s stroomt van de Zon maar omdat ze zelden in wisselwerking staan met normale materie gaan ze dwars door de Aarde en haar bewoners heen.

Er zijn drie soorten neutrino’s bekend; een vierde, het steriele neutrino, wordt voorgesteld als kandidaat voor donkere materie. Het steriele neutrino zou alleen door zwaartekracht in wisselwerking staan met gewone materie.

Een van de openstaande vragen is of er een patroon is in de fracties die in iedere neutrinosoort gaan.

Het kleinere neutrale axion en de ongeladen fotino’s, beiden theoretische deeltjes, zijn ook potentiële tijdelijke aanduidingen voor donkere materie.

Er bestaat ook nog zoiets als antimaterie, wat niet hetzelfde is als donkere materie. Antimaterie bestaat uit deeltjes die in wezen hetzelfde zijn als deeltjes van zichtbare materie maar met tegengestelde elektrische ladingen. Deze deeltjes worden antiprotonen en positronen (of anti-elektronen) genoemd. Wanneer antideeltjes deeltjes ontmoeten ontstaat er een explosie die ertoe leidt dat de twee soorten materie elkaar opheffen. Omdat we in een heelal leven dat uit materie bestaat is het duidelijk dat er niet zoveel antimaterie is anders zou er niets meer over zijn. In tegenstelling tot donkere materie kunnen natuurkundigen in hun laboratoria antimaterie produceren.

Waarom denken we dat donkere materie bestaat?

Maar als we donkere materie niet kunnen zien, hoe weten we dan dat het bestaat? Het antwoord is zwaartekracht, de kracht die wordt uitgeoefend door objecten gemaakt van materie die evenredig is met hun massa. Sinds de jaren ’20 van de vorige eeuw hebben astronomen de hypothese aangenomen dat het heelal meer materie moet bevatten dan we kunnen zien, dit omdat de zwaartekrachten die in het heelal lijkten te spelen simpelweg sterker zijn dan de zichtbare materie alleen zou kunnen verklaren. Bewegingen van de sterren vertellen ons hoeveel materie er is. Het maakt niet uit in welke vorm die materie is, het geeft alleen aan dat het er is.

Astronomen die in de jaren ’70 spiraalvormige sterrenstelsels onderzochten verwachtten dat materiaal in het centrum sneller zou bewegen dan aan de buitenranden. In plaats daarvan ontdekten ze dat de sterren op beide locaties met dezelfde snelheid reisden. Dit geeft aan dat de sterrenstelsels meer massa bevatten dan kon worden gezien.

Onderzoek naar gas in elliptische sterrenstelsels wees ook op een behoefte aan meer massa dan in zichtbare vorm wordt gevonden. Clusters van sterrenstelsels zouden uit elkaar vliegen als de enige massa die ze bevatten de massa was die zichtbaar was voor conventionele astronomische metingen.

Verschillende sterrenstelsels lijken op verschillende hoeveelheden donkere materie te bevatten. In 2016 vond een team astronomen een sterrenstelsel genaamd Dragonfly 44 dat bijna volledig uit donkere materie leek te bestaan. Aan de andere kant hebben astronomen sinds 2018 ook verschillende sterrenstelsels gevonden die nauwelijks tot geen donkere materie lijken te bevatten.

De zwaartekracht heeft niet alleen invloed op de banen van sterren in sterrenstelsels maar ook op de baan van het licht. De beroemde natuurkundige Albert Einstein toonde aan het begin van de 20ste eeuw aan dat zware objecten in het heelal licht buigen en vervormen door de kracht van hun zwaartekracht. Het fenomeen wordt zwaartekrachtlensing genoemd. Door te bestuderen hoe licht wordt vervormd door clusters van sterrenstelsels hebben astronomen een kaart kunnen maken van donkere materie in het heelal.

Een overgroot deel van de astronomische gemeenschap accepteert tegenwoordig dat donkere materie bestaat.

Verschillende astronomische metingen hebben het bestaan van donkere materie bevestigd, wat heeft geleid tot een wereldwijde poging om de interacties van donkere materiedeeltjes met gewone materie rechtstreeks waar te nemen in extreem gevoelige detectoren, wat het bestaan ervan zou bevestigen en licht zou werpen op de eigenschappen ervan. Deze interacties zijn echter zo zwak dat ze tot nu toe aan directie waarnemingen zijn ontsnapt waardoor wetenschappers gedwongen worden detectoren te bouwen die steeds gevoeliger worden.

Ondanks al het bewijs dat wijst op het bestaan van donkere materie bestaat ook de mogelijkheid dat zoiets toch niet bestaat en dat de wetten van de zwaartekracht die de beweging van objecten in het zonnestelsel beschrijven, moeten worden herzien.

Verspreiding donkere materie in het heelal
Donkere materie lijkt in een netwerkachtig patroon over het heelal te zijn verspreid, met clusters van sterrenstelsels op de knooppunten waar de vezels elkaar kruisen. Door te verifiëren dat de zwaartekracht zowel binnen als buiten ons zonnestelsel hetzelfde werkt leveren onderzoekers aanvullend bewijs voor het bestaan van donkere materie en donkere energie. (Image credit: WGBH)

Waar komt donkere materie vandaan?

Donkere materie lijkt in een netachtig patroon over het heelal te zijn verspreid, met clusters van sterrenstelsels op de knooppunten waar vezels elkaar kruisen. Door te verifiëren dat de zwaartekracht zowel binnen als buiten ons zonnestelsel hetzelfde werkt leveren onderzoekers aanvullend bewijs voor het bestaan van donkere materie. (de zaken zijn nog ingewikkelder omdat er naast donkere materie ook donkere energie lijkt te bestaan, een onzichtbare kracht die verantwoordelijk is voor de uitdijing van het heelal en die tegen de zwaartekracht werkt.)

Maar waar komt donkere materie vandaan? Het voor de hand liggende antwoord is dat we het niet weten. Maar er zijn een paar theorieën. Een studie gepubliceerd in december 1971 in de Astrophysical Journal stelt dat donkere materie geconcentreerd kan zijn in zwarte gaten, de krachtige poorten tot niets die door de extreme kracht van hun zwaartekracht alles in hun omgeving verslinden. Als zodanig zou donkere materie zijn ontstaan tijdens de Oerknal samen met alle andere samenstellende elementen van het heelal zoals we het vandaag zien.

Van stellaire overblijfselen zoals witte dwergen en neutronensterren wordt ook gedacht dat ze grote hoeveelheden donkere materie bevatten en dat geldt ook voor de zogenaamde bruine dwergen, mislukte sterren die niet genoeg materiaal verzamelden om kernfusie in hun kernen op gang brengen.

Hoe bestuderen astronomen donkere materie?

Omdat we donkere materie niet kunnen zien kunnen we het dan wel bestuderen? Er zijn twee manieren om meer te weten te komen over dit mysterieuze spul. Astronomen bestuderen de verdeling van donkere materie in het heelal door te kijken naar de clustering van materiaal en de beweging van objecten in het heelal. Deeltjesfysici zijn daarentegen op zoek naar de fundamentele deeltjes waaruit donkere materie bestaat.

Een experiment gekoppeld aan het internationale ruimtestation, de Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) genaamd, detecteert antimaterie in kosmische straling. Sinds 2011 is het getroffen door meer dan 100 miljard kosmische stralen en dit levert fascinerende inzichten op in de samenstelling van deeltjes die het heelal doorkruisen.

Wetenschappers hebben een overmaat aan positronen gemeten (de antimaterie tegenhanger van een elektron) en deze overmaat kan afkomstig zijn van donkere materie. Maar astronomen hebben nog meer gegevens nodig om er zeker van te zijn dat het van donkere materie afkomstig is en niet van vreemde astrofysische bronnen. Het kan nog wel enkele jaren duren voordat dat allemaal duidelijk is.

Op Aarde bevindt zich onder een berg in Italië, de XENON1T van de LNGS die jaagt op tekenen van interactie nadat WIMP’s in botsing komen met xenon atomen.

In een goudmijn in Colorado in de Verenigde Staten bevindt zich het Large Underground Xenon donkere materie experiment (LUX). Ook dit experiment heeft gezocht naar interactie tussen WIMP op xenon atomen. LUX heeft tot nu toe niks gevonden.

Wetenschappers zouden blij zijn met een positief signaal maar een nulresultaat kan ook significant zijn omdat het landschap van het onderzoeksveld kan veranderen door modellen te beperken voor wat donkere materie zou kunnen zijn boven alles wat eerder bestond.

Onder het ijs  van Antarctica bevindt zich het IceCube Neutrino Observatory dat zoekt naar de hypothetische steriele neutrino’s. steriele neutrino’s interacteren alleen door middel van zwaartekracht met gewone materie en dat maakt ze een sterke kandidaat voor donkere materie.

Experimenten gericht op het detecteren van ongrijpbare donkere materiedeeltjes worden ook uitgevoerd in de krachtige deeltjesversneller bij de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) in Zwitserland.

Verschillende telescopen die in een baan om de Aarde draaien jagen op de effecten van donkere materie. De Planck ruimtesonde van de ESA die in 2013 met pensioen ging, bracht vier jaar door in het Lagrangepunt L2 (een punt in de baan om de Zon waarin een ruimtesonde een stabiele positie kan behouden ten opzichte van de Aarde), om de verdeling van de kosmische microgolfachtergrondstraling in kaart te brengen. Dit is een overblijfsel van de Oerknal. Onregelmatigheden in de verdeling van deze microgolfachtergrond onthulden aanwijzingen over de verdeling van donkere materie.

In 2014 maakte de Fermi Gamma-ray Space Telescope van de NASA kaarten van het hart van ons sterrenstelsel waarbij een overmaat aan gammastraling werd onthuld die zich vanuit de kern uitstrekte. Dit extra signaal kan niet worden verklaard door momenteel voorgestelde alternatieven en het komt nauw overeen met de voorspellingen van zeer eenvoudige modellen van donkere materie.

De overmaat kan worden verklaard door de vernietiging van donkere materiedeeltjes met een massa tussen 31 en 40 miljard elektronvolt. Het resultaat alleen is niet genoeg om als een rokend pistool voor donkere materie te worden beschouwd. Aanvullende gegevens van andere waarnemingsprojecten of directe detectie-experimenten zouden nodig zijn om de interpretatie te valideren.

De James Webb Space Telescope, die na 30 jaar van ontwikkeling en bouw, op 25 december 2021 werd gelanceerd, zal naar verwachting ook bijdragen aan de jacht op deze ongrijpbare materie. Met zijn infrarode ogen die tot bijna het begin van het heelal kunnen kijken zal de telescoop van de eeuw ook donkere materie niet rechtstreeks kunnen zien maar door de evolutie van sterrenstelsels sinds de vroegste stadia van het heelal te observeren wordt verwacht dat hij inzichten zal verschaffen die voorheen niet mogelijk waren.

Eerste publicatie: 11 augustus 2013
Laatste revisie: 30 januari 2022