De zoektocht naar donkere materie

Het is gezellig druk in de Panoramazaal in Science Museum NEMO. Wanneer de aanwezigen gevraagd wordt om een hand op te steken als je denkt dat donkere materie bestaat, doet meer dan de helft dat. Terwijl niemand ooit donkere materie heeft waargenomen. Er zijn natuurlijk ook mensen die het niet zeker weten. “Het is nog niet bewezen”, zegt een man uit het publiek, “maar ik sluit het niet uit, alles is mogelijk.”

Donkere materie is toch wel heel raadselachtig. Het is er waarschijnlijk wel, maar je ziet het niet. Hoe onderzoek je dan zoiets? Dat leggen drie wetenschappers uit tijdens een discussieavond van NEMO Kennislink Live.

Astronomische aanwijzingen

Het is niet zomaar verzonnen, er zijn aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie, benadrukken de experts. “Met technologie zien we verschillende onderdelen van het heelal”, vertelt Jacco Vink, astrofysicus aan de Universiteit van Amsterdam. “We kunnen met satellieten en telescopen röntgenstraling, radiostraling, gammastraling en zichtbaar licht in het heelal opmerken. Maar wat we waarnemen, verklaart nog niet alles wat er in het heelal gebeurt. Er moet meer zijn.”

Onderzoek uit het verleden toont aan dat er meer materie is dan mensen kunnen zien. Zo onderzocht Fritz Zwicky, fysicus en astronoom, in 1937 hoe het mogelijk is dat sterrenstelsels met duizend kilometer per seconde om elkaar heen vliegen, maar niet van elkaar weg gaan. De reden hiervoor is dat er zwaartekracht aanwezig is, dat afkomstig moet zijn van donkere materie.

Een volgende grote stap naar het aantonen van donkere materie kwam van astronome Vera Rubin in de jaren zeventig. Zij onderzocht de sterren aan de rand van sterrenstelsels. Het blijkt dat deze sterren niet langzamer bewegen dan de sterren dicht bij het middelpunt van zo’n stelsel. Ook lijken ze veel sneller te bewegen dan de natuurwetten voorspellen. De aanwezigheid van donkere materie kan dit verklaren.

Deze observaties uit het verleden geven duidelijke aanwijzingen voor donkere materie, vermeldt Vink. Daarbij is er nog een astronomische aanwijzing te benoemen. Sterke zwaartekrachtvelden afkomstig van bijvoorbeeld een sterrenstelsel, ook wel zwaartekrachtlenzen genoemd, buigen door zwaartekracht het licht van een daarachterliggend sterrenstelsel af. Door deze ombuiging van het licht te berekenen, weten we hoeveel materie er moet zijn. En het blijkt dat er meer materie is dan wij mensen kunnen zien.

Kosmologische aanwijzingen

Donkere materie is niet alleen astronomisch aantoonbaar, maar ook kosmologisch. Kosmologie is de wetenschap die de evolutie van het heelal bestudeert en zich vooral bezighoudt met het verleden, de ontwikkelingen en de toekomst van het heelal.

De oerknal en de uitdijing van het heelal worden binnen de kosmologie onderzocht. Jan Pieter van der Schaar, theoretisch fysicus aan de Universiteit van Amsterdam, kijkt naar aanwijzingen voor donkere materie door deze fenomenen te onderzoeken. “De uitdijing van het heelal veronderstelt een heelal dat lang geleden veel dichter, en dus ook heter was. De massa was zo dicht dat er geen sterren konden bestaan. Je zou in dit heelal niet om je heen kunnen kijken, omdat licht niet vrij door het heelal kon reizen. Het vroege heelal bestond enkel uit geladen deeltjes”.

Het bewijs van de oerknal is kosmische achtergrondstraling, het eerste licht in het heelal. Dit kunnen we nog altijd zien. Van der Schaar vertelt dat dit het bewijs is dat het heelal ‘plat’ is. Maar er is echter veel minder materie in het heelal te zien dan de waardes die bepalen dat het plat is. Om precies te verklaren waarom het heelal plat is heb je vijf keer zoveel donkere materie nodig dan gewone materie, legt Van der Schaar uit.

Opvallend is dat zowel de aanwijzingen van Jacco Vink uit de astronomie, als die van Jan Pieter van der Schaar uit de kosmologie, suggereren dat er ongeveer dezelfde hoeveelheid donkere materie moet zijn. Is dit toeval of niet?

“Maar de kosmologie heeft geen directe verklaring voor wat donkere materie eigenlijk is, voor die vraag moet je bij Patrick zijn”, grapt Van der Schaar.

Het publiek heeft veel vragen voor de onderzoekers. “Maar wat als we een donker materiedeeltje vinden?”, wil een aanwezige weten. Decowski stelt dat wanneer hij een deeltje zou vinden, hij verder onderzoek zal doen naar de eigenschappen ervan. “Maar als ik over tien jaar nog steeds niets heb gevonden geef ik het op”, zegt hij.

Ook de vraag wat we er eigenlijk aan dit onderzoek hebben, wordt gesteld. “De onbruikbare kennis van nu is zeer bruikbaar op de lange termijn”, antwoordt Van der Schaar, “De bedenkers van de quantummechanica waren ook niet bezig met toepassingen zoals de smartphone. Toch zou de smartphone er niet zijn geweest zonder die onderzoeken. Wat onderzoekers doen is a priori nergens goed voor, maar misschien wel over honderd jaar.”