Zwarte materie: Help! Het heelal is zoek!

Help! Het heelal is zoek! Van 80% van de materie in het heelal hebben we geen idee wat het is. We merken aan de zwaartekracht dat er iets moet zijn, maar te zien is er helemaal niets. Wat is toch die 'donkere materie'?

Terwijl de wetenschappers elkaar nog in de haren zitten over
wat zwarte materie is, lijkt het via internet al te koop te zijn.

Ruim 80% van het heelal bestaat uit onbekende materie. Slecht 20% kunnen we zien en weten we dus wat het is.Trouwens: als we het over 20% hebben, dan doelen we op de eigenschap 'massa'. Die massa toont zich aan ons op twee manieren: ten eerste de mate waarin iets zich verzet als je het probeert op te tillen vanaf de vloer, de 'zware massa'. Ten tweede de mate waarin iets zich verzet tegen het in beweging komen als je er tegen duwt, bijvoorbeeld als het op een gladde ijsvloer ligt, de 'trage massa'. In onze dagelijkse ervaring zijn we er aan gewend dat deze eigenschappen gelijk op gaan maar vanuit de natuurkunde zijn dit heel verschillende eigenschappen en is er op voorhand geen reden waarom 'trage' en 'zware' massa evenredig zijn.


Het waren de twee grootste wetenschappers aller tijde die belangrijke voortuitgang wisten te brengen in het begrip van massa een zwaartekracht: Isaac Newton en Albert Einstein. Newton wist een formule te bedenken die de sterkte van de zwaartekracht tussen twee voorwerpen beschreef: een kracht evenredig met het product van beide ('trage') massa's en afnemend met het kwadraat van hun onderlinge afstand. Met deze formule bleek hij niet alleen in staat om de werking van de zwaartkracht op aarde te beschrijven maar ook de beweging van de planeten rond de zon bleek met deze formule perfect te verklaren te zijn. Zelfs nu nog werken de ESA en de NASA nog met de formule van Newton; niet slecht voor een bijna 400 jaar oude theorie! Uit de vergelijkingen van Newton volgt ook dat op het aardoppervlak de 'zware' massa gelijk opgaat met de 'trage' massa. Er is echter geen onderliggende theorie van de wetten van Newton. Ze kloppen gewoon prima met de metingen. Maar als de metingen op zeker moment anders uitwijzen, kunnen ze ook gewoon fout zijn.

Albert Einstein verfijnde de zwaartekrachttheorie van Newton door ook de tijd hierin te betrekken: ruimte en tijd vormen een vierdimensionale structuur die door de zwaartekracht vervormd wordt. Massa zelf bleek samen te hangen met energie volgens zijn bekende wet E=Mc2. Wanneer het zwaartekrachtveld niet belachelijk sterk is en de onderlinge snelheden veel kleiner zijn dan de snelheid van het licht (en dat is het meestal) dan zijn de vergelijkingen van Einstein te vereenvoudigen naar die van Newton. Voor de bewegingen in ons zonnestelsel heb je Einstein dus niet nodig. Alleen een heel kleine afwijking van de baan van de planeet Mercurius (die het dichts om de zon draait en dus de meeste zwaartekracht van de zon ervaart) kan met de wetten van Newton niet maar met de van Einstein wel worden verklaard.

Een deel van de Coma Cluster: deze sterrenstelsels bewegen
ten opzichte van elkaar te snel om bij elkaar te blijven. Is er
zwaartekracht van 'dunkele Materie' in het spel?

Tot zover was alles pais en vree met de zwaartekracht in het heelal. Tot in 1932 onze landgenoot Jan Oort een eerste scheurtje ontdekte: sterren aan de buitenkant van ons eigen spiraalstelsel, de melkweg, bleken veel sneller te bewegen dan verwacht. De berekende zwaartekracht van alle zichtbare sterren, gas en stof in de melkweg was niet sterk genoeg om die sterren in hun baan te houden, je zou verwachten dat die sterren al lang uit de bocht gevlogen en verdwenen in de diepte van het heelal verdwenen waren. Maar toch waren ze er.


Nog geen jaar later zag de zwitserse sterrenkundige Frits Zwicky iets derglijks in de onderlinge bewegingen van sterrenstelsen in een grote groep van de dergelijke stelsels: de Coma Cluster. Ook hier bewogen de de sterrenstelsels onderling zo snel dat de berekende zwaartekracht niet in staat zou moeten zijn om de voorkomen dat ze uit elkaar zouden vliegen. Maar die Coma Cluster bestaat uit wel duizend sterrenstelsel en is dus veel te groot om een toevallige passage van een aantal sterrenstelsels te zijn. Er was dus iets vreemd aan de hand. Frits Zwicky postuleerde dat er nog materie aanwezig moest zijn die we niet konden waarnemen en bedacht ook de term: 'dunkele Materie'.

Zwaartekrachtlens: de zware cluster van sterrenstelsels
vertekent het beeld van veel verder gelegen stelsels en
smeert ze uit tot cirkelbogen. Ook hier is de mate van
vertekening veel groter dan op grond van de zichtbare
sterrenstelsels te verwachten was.

In de jaren 70 ontdekte Vera Rubin dat ook bij andere melkwegstelsel de sterren aan de buitenrand veel sneller bewegen dan verwacht. En de mate waarin de zwaartekracht van grote sterrenstelsel achtergrondlicht afbuigt (zwaartekrachtlens) bleek veel groter te zijn dan verwacht kon worden op grond van het aantal sterren in het stelsel.

Kortom: op de schaal van melkwegstelsels en groter lijken de zwaartekrachtswetten van Newton en Einstein, uitgaande van de materie die we kunnen zien, niet het juiste resultaat op te leveren maar er zelfs een factor 5 tot 10 onder te zitten!


 Er kunnen dan twee zaken aan de hand zijn: ofwel we snappen de werking van de zwaartekracht niet goed. Misschien neemt deze op grote afstand minder snel af dan met het kwadraat van de afstand zoals we dat in ons 'kleine' (op deze schaal dan) planetenstelsel zien. Ofwel er is nog een andere bron van massa in de melkweg aanwezig die we niet kunnen zien. Deze noemen we dan 'zwarte materie'. Maar eigenlijk zouden we het beter 'volledig transparante materie' kunnen noemen. Zwarte dingen kunnen immers licht absorberen, maar dat doet onze raadselachtige materie ook al niet.

Wetenschappers bij een WIMP detector in een zeer diepe
 kaliummijn in Boulby, Engeland.

Maar waar bestaat die 'zwarte materie' dan uit? De eerste theorie was dat er nog donkere objecten zoals losgeslagen planeten door de melkweg zouden kunne zweven. Deze werden aangeduid met de afkorting MACHO, die staat voor Massive Compact Halo Object. Maar onzichtbare zwarte gaten, uitgedoofde sterren of verdwaalde planeten zijn wel aanwezig, maar lang niet genoeg om 80% van de materie te verklaren. Een nieuwere en populaire theorie is de WIMP, wat staat voor 'Weakly Interacting Massive Particle' ofwel een zwaar deeltje met nauwelijks interactie met andere deeltjes. Een dergelijk deeltje zou enerzijds vergelijkbaar kunnen zijn met het neutrino die terwijl je dit leest met miljarden per seconden door je lijf vliegen en overigens net zo makkelijk door de hele aarde heen. Neutrino's zijn er dus erg veel maar ze hebben nauwelijks massa. Een soortgelijk deeltje dat zeldzamer maar veel zwaarder zou zijn zou nauwelijks aan te tonen zijn maar kan wel de waargenomen effecten van 'donkere materie' verklaren. Op dit moment lopen er meerdere experimenten waarbij men diep onder de aarde (afgeschermd voor kosmische straling) probeert een toch een interactie met zo'n WIMP waar te nemen. Tot nu toe trouwens zonder veel succes. Anderen proberen met deeltjesversnellers zelf een WIMP te maken. Ook nog zonder succes...

Maar er is dus nog een andere weg. Misschien klopt onze zwaartekrachtwet wel gewoon niet. Dan is er helemaal geen zwarte materie nodig om alles te verklaren. Een populaire theorie is de MOND (Modified Newtonian Dynamics) die de werking van de zwaartekracht zo bijstelt dat deze enerzijds op de schaal van het planetenstelsel het bekende resultaat oplevert maar op de schaal van sterrenstelsels wel de snelle sterren aan de buitenrand in hun baan kan houden.

De Bullet Cluster is onstaan uit een botsing van twee clusters
sterrenstelsels. De donkere materie (blauw gekleurd) lijkt
zich daarbij gesplitst te hebben. Dit pleit in het voordeel van
de WIMP en tegen de MOND theorie.

Wie heeft het juist, de WIMP of de MOND aanhangers? Op dit moment heeft WIMP duidelijk de meeste stemmers. Ook is een mogelijke test is gevonden in een botsing tussen twee clusters van sterrenstelsels: de Bullet Cluster. Door de vertekening van zwaartekrachtlensen bij deze cluster te meten kan een reconstructie van het zwaartkrachtveld rond deze cluster gemaakt worden (zie in het plaatje hiernaast de blauwe 'overlay'). Deze lijkt te zijn gesplitst in twee delen. Dat kan verklaart worden uit het 'doorschieten' van donkere materie na de botsing maar niet zo makkelijk met de MOND theorie. Zou de WIMP dan toch bestaan?

Maar net zoals de eerste scheur door onze landgenoot Jan Oort werd ontdekt, is nu de laatste ontwikkeling er ook eentje uit Nederland: Erik Verlinde heeft in 2009 een nieuw idee over de zwaartekracht ingebracht, waarbij de zwaartekracht geen fundamentele natuurkracht is maar een kwantummechanisch effect dat te maken heeft met verschillen in informatiedichtheid in de ruimte. Dit is misschien wel de meeste serieuze aanval ooit op de theorie van Einstein. Of deze theorie voet aan de grond gaat krijgen en wat het effect dan is op de mogelijke verklaring van 'donkere materie'? Wie weet, we wachten in spanning af.....