Donkere materie
Waarom sterrenstelsels niet in elkaar storten
Hier is het meest ongemakkelijke feit in de moderne kosmologie. Alles wat je ziet — sterren, planeten, gaswolken, mensen — vormt slechts vijf procent van wat er in het universum is. De andere 95 procent is onzichtbaar. Ongeveer 27 procent is iets dat zwaartekracht heeft maar geen licht geeft, geen licht absorbeert, en waar we via geen enkel instrument direct iets van kunnen detecteren. We weten dat het er is. We weten alleen nog niet wat het is. We noemen het donkere materie, en het is een van de grootste open vragen van onze tijd.
Fritz Zwicky — de eerste die het zag, 1933
De Zwitsers-Amerikaanse astronoom Fritz Zwicky werkte in de jaren 1930 aan het Mount Palomar Observatorium in Californië. Hij bestudeerde de Coma-cluster, een grote verzameling van meer dan duizend sterrenstelsels op 320 miljoen lichtjaar afstand. Hij mat hoe snel de stelsels in die cluster bewogen.
Zijn verbazing was groot. De stelsels bewogen veel te snel. Met alleen de zichtbare massa in de cluster zou de zwaartekracht niet sterk genoeg moeten zijn om ze bij elkaar te houden — ze zouden allang uiteen moeten zijn gevlogen. Zwicky rekende uit dat er ongeveer 400 keer meer massa aanwezig moest zijn dan wat hij aan sterren en gas kon zien. Hij noemde die onzichtbare component dunkle Materie — donkere materie.
Zijn bevinding werd decennialang vrijwel genegeerd. Zwicky stond bekend als eigenwijs en ruziezoekend, en de wetenschap was er nog niet klaar voor een universum dat grotendeels bestond uit iets wat niemand kon zien. Zijn vroege schatting zou later omlaag worden bijgesteld (het echte verschil is "maar" vijf keer, geen 400), maar het essentiële idee bleek juist.
Vera Rubin en de rotatiecurves — 1970
Het definitieve bewijs kwam in de jaren 1970 van de Amerikaanse astronoom Vera Rubin. Samen met Kent Ford mat zij de rotatiesnelheid van sterren in spiraalstelsels, vooral in Andromeda. Volgens Newton's wetten zouden sterren aan de buitenrand van een sterrenstelsel langzamer moeten draaien dan sterren dichtbij het centrum — net zoals planeten in ons zonnestelsel: Mercurius raast rond met 48 km/s, Neptunus suft rond met 5 km/s, omdat de zonnekracht bij Neptunus veel zwakker is.
Rubin verwachtte hetzelfde patroon in sterrenstelsels. Ze kreeg iets heel anders. Sterren aan de buitenrand van Andromeda draaien bijna even snel als sterren in het midden. De rotatiecurve is plat. Dat is onmogelijk, tenzij er veel meer massa is dan we kunnen zien — massa die tot ver buiten de zichtbare schijf doorgaat, in een gigantische halo.
Rubin herhaalde dit voor tientallen sterrenstelsels. Altijd hetzelfde resultaat. Altijd te snel rond aan de rand. Er moest een onzichtbare massa-halo om elk sterrenstelsel hangen. Ze berekende dat die halo ongeveer vijf tot tien keer meer massa bevatte dan de zichtbare sterren. De donkere materie was terug, en deze keer niet meer te negeren.
Na decennia van metingen — rotatiecurves, zwaartekrachtlensing, kosmische achtergrondstraling, de vorming van sterrenstelsels — is de samenstelling van het universum nu bekend op kleine percentages nauwkeurig: ongeveer 5 procent gewone materie (sterren, planeten, gas, wij), ongeveer 27 procent donkere materie, en ongeveer 68 procent donkere energie. Wij begrijpen dus 5 procent. De andere 95 procent is raadsel.
Gravitationele lensing — licht getuigt
Een andere getuigenis volgt uit Einstein's voorspelling dat zware objecten het pad van licht ombuigen (les 27). Als een massieve sterrenstelsel-cluster tussen ons en een verder gelegen stelsel staat, werkt die cluster als een lens: het licht van het achtergrond-object wordt vervormd tot boog- of ringvormige structuren. Uit de mate van vervorming kun je heel nauwkeurig de massa van de lens berekenen.
Dit is gedaan voor honderden clusters. En altijd komt dezelfde uitkomst naar boven: de totale massa is vijf tot tien keer groter dan wat je aan sterren en heet gas kunt zien. De lensing-kaarten tonen massa-verdelingen die ver buiten de zichtbare stelsels uitsteken, in enorme donkere materie-halos.
De Bullet Cluster — de smoking gun van 2006
Het mooiste directe bewijs voor donkere materie kwam in 2006 van de Kogelcluster (Bullet Cluster), officieel 1E 0657-56, 3,7 miljard lichtjaar ver weg. Het is in feite twee sterrenstelselclusters die in het verleden op elkaar zijn gebotst en door elkaar heen zijn gevlogen.
Waarom is dit zo bijzonder? Omdat het heet gas (zichtbaar in röntgenstraling) en de donkere materie (gemeten via zwaartekrachtlensing) zich verschillend gedragen tijdens de botsing. Het hete gas remt af door wrijving tussen de twee gaswolken — je ziet het als een rode vlek tussen de stelsels. Maar de donkere materie vliegt dwars door elkaar heen zonder te vertragen — je ziet haar als twee blauwe zwaartekrachtpieken aan weerszijden, ver van het gas weg.
Dit betekent dat de zwaartekracht-bron duidelijk is losgekoppeld van het gas. Donkere materie moet iets zijn dat bijna niet met zichzelf of met normale materie interageert — ze passeert gewoon door. Dit beeld, gepubliceerd in 2006, is voor veel natuurkundigen hét meest overtuigende bewijs: iets is daar, het gedraagt zich als massa, en het is geen vorm van gewone materie.
Wat is het dan?
De eerlijke antwoord: we weten het niet. We weten wel wat het niet is.
Het is geen baryonische materie (protonen, neutronen) in dode vorm — niet koude gaswolken, niet brown dwarfs, niet standaard zwarte gaten. Als het dat was, zouden we ze via licht-effecten detecteren of via de lichte elementen-samenstelling van de big bang-nucleosynthese. De metingen van die samenstelling sluiten dit uit.
Het is geen neutrino. Neutrino's hebben een klein beetje massa, maar ze bewegen te snel om samen te klonteren in de halo-structuren die we waarnemen. Ze zouden een "hete" donkere materie vormen, en ons universum vraagt duidelijk om een "koude" donkere materie die langzaam genoeg beweegt om zich aan sterrenstelsels te hechten.
De favoriete kandidaten zijn onbekende deeltjes buiten het standaardmodel:
- WIMPs (Weakly Interacting Massive Particles): zware deeltjes die alleen via zwaartekracht en de zwakke kernkracht voelbaar zijn. Al decennia zoeken we ernaar in ondergrondse laboratoria zoals XENONnT en LUX-ZEPLIN. Tot nu toe geen detecties.
- Axions: extreem lichte deeltjes die theoretisch uit andere kwestienproblemen voortkomen (de "strong CP"-puzzel). De ADMX-experimenten zoeken naar ze. Ook nog geen hit.
- Sterielle neutrino's: een hypothetische zwaardere variant van de bekende neutrino's. Signalen in röntgenstraling zijn ambigu.
- Primordiale zwarte gaten: kleine zwarte gaten gevormd kort na de Big Bang. Niet uitgesloten, maar beperkt door microlensing-metingen.
Het alternatief: MOND
Sommige natuurkundigen geloven niet in donkere materie. Ze stellen voor dat Newton's gravitatiewet zelf iets anders werkt bij extreem lage versnellingen — de situatie aan de buitenrand van sterrenstelsels. Dit heet MOND (Modified Newtonian Dynamics), in 1983 voorgesteld door Mordehai Milgrom. MOND werkt verrassend goed voor de rotatiecurves van individuele sterrenstelsels — zelfs beter dan de donkere-materie-theorie voor sommige specifieke gevallen.
Het grote probleem met MOND: het verklaart de Kogelcluster niet. Daar zien we duidelijk dat zwaartekracht-effecten losgekoppeld zijn van zichtbare materie, en geen modificatie van Newton's wet kan dat nabootsen. MOND worstelt ook met grote sterrenstelsel-clusters en met de kosmische achtergrondstraling. De meeste kosmologen houden daarom vast aan donkere materie, met MOND als interessante minderheidspositie.
In de 19e eeuw bleek Uranus' baan niet helemaal te kloppen met Newton's voorspellingen. Urbain Le Verrier rekende uit dat er een onzichtbare achtste planeet moest bestaan, gaf precies een positie op, en op 23 september 1846 vond Johann Galle hem op die plek: Neptunus. Onzichtbare massa's hebben zich in de geschiedenis vaker door hun zwaartekracht verraden. Misschien vinden we donkere materie ook eens direct — of ontdekken we dat het iets anders is wat we nog niet vermoeden.
Op zoek in labs en in de ruimte
Op dit moment lopen tientallen experimenten. Diep onder de grond, ver van kosmische straling afgeschermd, staan enorme tanks met vloeibaar xenon (LUX-ZEPLIN in South Dakota, XENONnT onder de Gran Sasso in Italië). Ze wachten op het zeldzame moment waarop één WIMP deeltje tegen één xenon-atoom tikt. In deeltjesversnellers zoekt men naar donkere materie als een "missende energie" in botsingen. Ruimtetelescopen speuren naar indirect bewijs — gammastraling van WIMP-annihilaties bijvoorbeeld.
Tot nu toe: nul directe detecties. Geen bevestigd signaal. Het probleem wordt steeds zwaarder, omdat de experimenten de gevoeligste regio's uitsluiten en de kandidaat-deeltjes moeten een steeds nauwere set eigenschappen hebben om aan alle beperkingen te voldoen. Sommige natuurkundigen beginnen zich af te vragen of we überhaupt naar de juiste soort deeltje zoeken.
Drie dingen om mee te nemen
- Donkere materie is geen speculatie. Rotatiecurves, zwaartekrachtlensing, de Kogelcluster, en de vorming van kosmische structuur wijzen allemaal onafhankelijk op hetzelfde: 27 procent van het heelal bestaat uit iets wat we niet zien. Het bestaan ervan is solide.
- Vera Rubin maakte het onontkoombaar. Fritz Zwicky opperde het in 1933, maar pas Rubin's rotatiecurves in 1970 maakten donkere materie tot mainstream-wetenschap. Zonder haar metingen zou ons beeld van het universum compleet anders zijn.
- Wat het is, weten we niet. WIMPs, axions, sterielle neutrino's, primordiale zwarte gaten — allemaal kandidaat, geen bewezen. Dit is waarschijnlijk het grootste onopgeloste raadsel in de natuurkunde op dit moment, en een oplossing vereist vermoedelijk nieuwe fysica voorbij het standaardmodel.
Met deze les sluiten we week 6 over sterrenstelsels af. Je hebt de Melkweg in kaart gebracht, onze grote buur Andromeda ontmoet, de dierentuin van sterrenstelsel-soorten verkend, en het diepste mysterie van de kosmologie onder ogen gezien. In week 7 gaan we nog een orde van grootte verder — van sterrenstelsels naar clusters en superclusters, en naar het kosmische web dat alles bindt.
Tot dan. Blijf nieuwsgierig.