Donkere materie is een van de grootste mysteries in de wetenschap. Het is overal om ons heen, maar niemand heeft het ooit gezien. Het zendt geen licht uit, het weerkaatst geen licht en het absorbeert geen licht. Toch weten wetenschappers zeker dat het bestaat. Hoe kan iets zo onzichtbaar tegelijk zo bepalend zijn voor de opbouw van het heelal? Dat is precies de vraag die astronomen en natuurkundigen al tientallen jaren bezighoudt.
Wat de zwaartekracht ons vertelt over onzichtbare massa
Het bewijs voor het bestaan van deze mysterieuze stof komt niet van directe waarneming, maar van de effecten die het achterlaat. In de jaren dertig van de vorige eeuw merkte de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky iets vreemds op. Hij bestudeerde een grote groep sterrenstelsels en zag dat ze veel sneller bewogen dan verwacht. De zichtbare massa in die sterrenstelsels was bij lange na niet genoeg om al die beweging te verklaren. Er moest iets zijn dat extra zwaartekracht leverde. Decennia later bevestigde de Amerikaanse astronome Vera Rubin dit idee. Zij onderzocht hoe snel sterren aan de buitenrand van sterrenstelsels draaien en ontdekte dat die sterren niet vertraagden zoals de wetten van Newton voorspellen. De buitenste sterren draaiden even snel als de binnenste, wat alleen kan als er veel meer massa aanwezig is dan we kunnen zien. Die onzichtbare massa noemen we nu donkere materie.
Hoe groot het aandeel van donkere materie werkelijk is
Alles wat we kunnen zien in het heelal, alle sterren, planeten, gas en nevels, maakt slechts ongeveer vijf procent uit van wat er werkelijk bestaat. Ongeveer zevenentwintig procent van het heelal bestaat uit de onzichtbare massa waarover we het hier hebben. De rest, bijna drieënzestig procent, is donkere energie, een ander raadselachtig verschijnsel dat het heelal steeds sneller doet uitdijen. Dit betekent dat we met al onze telescopen en meetinstrumenten eigenlijk maar een klein stukje van de werkelijkheid kunnen waarnemen. Het overgrote deel van het heelal is voor ons onzichtbaar en onbereikbaar met de middelen die we nu hebben. Dat besef maakt de wetenschap tegelijk bescheiden en nieuwsgierig.
De manieren waarop wetenschappers proberen het te vinden
Onderzoekers zoeken op verschillende manieren naar sporen van de verborgen massa in ons heelal. Een van de meest gebruikte methoden is gravitatielensing. Dit werkt als volgt: als er een grote hoeveelheid massa tussen ons en een ver sterrenstelsel staat, buigt die massa het licht van dat verre stelsel. Door te kijken hoe licht vervormt, kunnen wetenschappers berekenen hoeveel massa er aanwezig moet zijn, ook als die massa zelf onzichtbaar is. Een andere aanpak is het zoeken naar zogeheten WIMPs, wat staat voor Weakly Interacting Massive Particles. Dit zijn hypothetische deeltjes die nauwelijks reageren op gewone materie, maar wel massa hebben. Grote detectoren diep onder de grond proberen dit soort deeltjes op te sporen als ze toevallig botsen met een atoomkern. Tot nu toe is dat nog niet gelukt, maar de zoektocht gaat door. Ook de ruimtetelescoop Euclid, gelanceerd in 2023, is speciaal ontworpen om meer te weten te komen over de verdeling van onzichtbare massa in het heelal.
Waarom dit onderwerp iedereen aangaat
Misschien denk je dat dit allemaal ver van je bed staat, maar de zoektocht naar de onzichtbare bouwstenen van het heelal raakt aan de diepste vragen die mensen kunnen stellen. Wat is de werkelijkheid? Wat bestaat er echt? Hoeveel van de wereld om ons heen kunnen we eigenlijk waarnemen? Als bijna dertig procent van alles wat bestaat volledig buiten ons gezichtsveld valt, zegt dat iets over de grenzen van menselijke kennis. Het dwingt wetenschappers om buiten bestaande modellen te denken en nieuwe natuurkunde te ontwikkelen. Sommige onderzoekers stellen zelfs voor dat we onze begrippen van zwaartekracht moeten herzien in plaats van een nieuwe soort deeltje aan te nemen. Die discussie is nog lang niet beslecht. Wat zeker is, is dat het heelal veel groter, vreemder en rijker is dan het er op het eerste gezicht uitziet.
Veelgestelde vragen over donkere materie
Uit wat voor deeltjes bestaat donkere materie?
Dat weten wetenschappers nog niet. De meest genoemde kandidaten zijn WIMPs, hypothetische deeltjes met massa die nauwelijks reageren op andere materie. Ook axionen en steriele neutrino’s worden als mogelijke bouwstenen gezien. Tot nu toe is geen enkel kandidaatdeeltje direct aangetoond in een laboratorium of detector.
Is donkere materie hetzelfde als donkere energie?
Donkere materie en donkere energie zijn twee verschillende verschijnselen. Donkere materie heeft massa en oefent zwaartekracht uit, waardoor sterrenstelsels bij elkaar worden gehouden. Donkere energie werkt juist als een soort drijvende kracht die het heelal steeds sneller doet uitdijen. Beide zijn onzichtbaar, maar ze gedragen zich compleet anders.
Bevindt donkere materie zich ook in ons eigen zonnestelsel?
Ja, naar verwachting is donkere materie overal aanwezig in het heelal, ook in en rondom ons zonnestelsel. De dichtheid ervan is hier naar verhouding laag. In het centrum van sterrenstelsels en in grote clusters van stelsels is de concentratie veel hoger. We merken in het dagelijks leven niets van de aanwezigheid ervan, omdat de effecten pas zichtbaar worden op zeer grote schaal.
Kan donkere materie ooit direct worden waargenomen?
Directe waarneming is tot nu toe niet gelukt. Het zendt geen elektromagnetische straling uit en reageert niet op licht. Wetenschappers hopen dat toekomstige detectoren of nieuwe deeltjesversnellers zoals die van CERN uiteindelijk een botsing of een signaal opleveren dat het bestaan van een specifiek deeltje bevestigt. Tot die tijd blijft het bewijs indirect, maar overtuigend.
