Donkere materie: het onzichtbare materiaal van het heelal
Als we naar de nachtelijke hemel kijken, zien we sterren, planeten en sterrenstelsels. Toch bestaat alles wat we kunnen zien waarschijnlijk maar uit een deel van de materie in het heelal. Donkere materie vormt een groot deel van de onzichtbare massa in het universum en speelt waarschijnlijk een belangrijke rol bij de structuur ervan.
Wetenschappers denken dat een groot gedeelte van de materie uit donkere materie bestaat. Deze mysterieuze vorm van materie geeft zelf geen zichtbaar licht af en kan daarom niet rechtstreeks met gewone telescopen worden waargenomen.
Toch lijkt donkere materie overal om ons heen aanwezig te zijn. Astronomen kunnen haar aanwezigheid afleiden uit de zwaartekracht die zij uitoefent op sterren, sterrenstelsels en de structuur van het heelal.
Wat is donkere materie?
Donkere materie is een vorm van materie die we niet rechtstreeks kunnen zien.
Gewone materie bestaat uit atomen. Daaruit zijn bijvoorbeeld sterren, planeten, gaswolken en mensen opgebouwd. Donkere materie lijkt op een andere manier te werken: ze zendt geen zichtbaar licht uit en weerkaatst het ook niet op een manier die we met gewone telescopen kunnen waarnemen.
Het woord donker betekent daarom niet dat donkere materie zwart is. Het betekent vooral dat ze voor onze huidige telescopen onzichtbaar is.
Wetenschappers weten nog altijd niet precies waar donkere materie uit bestaat.
Hoe weten we dat donkere materie bestaat?
Als donkere materie niet zichtbaar is, lijkt het misschien vreemd dat wetenschappers denken dat ze bestaat.
De belangrijkste aanwijzingen komen van zwaartekracht.
Wanneer astronomen kijken naar de beweging van sterren in sterrenstelsels, blijkt dat deze sterren zich gedragen alsof er veel meer massa aanwezig is dan we rechtstreeks kunnen zien.
Ook sterrenstelsels binnen grote clusters bewegen op manieren die moeilijk te verklaren zijn wanneer alleen de zichtbare materie wordt meegerekend.
Er lijkt dus extra massa aanwezig te zijn die we niet rechtstreeks kunnen waarnemen.
Die onzichtbare massa noemen we donkere materie.
Sterrenstelsels en hun onzichtbare massa
Donkere materie lijkt een belangrijke rol te spelen bij de structuur van sterrenstelsels.
Een sterrenstelsel bestaat niet alleen uit de sterren die we kunnen zien. Rond veel sterrenstelsels bevindt zich waarschijnlijk een enorme halo van donkere materie.
Deze halo kan veel groter zijn dan het zichtbare deel van het sterrenstelsel.
De zwaartekracht van deze onzichtbare massa helpt mee om de bewegingen van sterren en andere objecten binnen het sterrenstelsel te verklaren.
Zonder donkere materie zouden sommige sterrenstelsels zich waarschijnlijk anders gedragen dan we waarnemen.
De snelheid van sterren
Een belangrijke aanwijzing kwam uit onderzoek naar de snelheid waarmee sterren rond het centrum van sterrenstelsels bewegen.
Volgens eenvoudige berekeningen zouden sterren aan de buitenkant van een sterrenstelsel veel langzamer moeten bewegen dan sterren dichter bij het centrum als alleen de zichtbare materie verantwoordelijk zou zijn voor de zwaartekracht.
In werkelijkheid bewegen veel van deze sterren sneller dan verwacht.
Toch vliegen ze niet zomaar het sterrenstelsel uit.
Dat wijst erop dat er extra massa aanwezig moet zijn. De zwaartekracht van donkere materie kan helpen verklaren waarom de sterrenstelsels bij elkaar blijven.
Donkere materie en zwaartekrachtlenzen
Er is nog een andere manier waarop wetenschappers donkere materie kunnen onderzoeken: door te kijken naar de manier waarop licht wordt afgebogen.
Volgens de relativiteitstheorie kan zwaartekracht de ruimtetijd vervormen. Licht dat langs een zeer zwaar object reist, kan daardoor van richting veranderen.
Dit verschijnsel wordt een zwaartekrachtlens genoemd.
Wanneer astronomen zien dat het licht van verre sterrenstelsels sterker wordt afgebogen dan de zichtbare materie kan verklaren, kan dat wijzen op de aanwezigheid van donkere materie.
Op deze manier kunnen wetenschappers als het ware de verdeling van onzichtbare massa in kaart brengen.
Donkere materie in sterrenstelselclusters
Sommige van de duidelijkste aanwijzingen voor donkere materie komen uit enorme clusters van sterrenstelsels.
In zo’n cluster bevinden zich honderden of soms duizenden sterrenstelsels die door zwaartekracht bij elkaar worden gehouden.
Naast de sterrenstelsels bevindt zich ook enorm veel heet gas. Wanneer astronomen de massa van al deze zichtbare onderdelen berekenen, blijkt die niet genoeg te zijn om alle waargenomen zwaartekrachteffecten te verklaren.
Metingen van zwaartekrachtlenzen laten zien dat er nog veel meer massa aanwezig lijkt te zijn.
Zo kunnen wetenschappers een beeld krijgen van een kosmische structuur waarin zichtbare materie en donkere materie samen voorkomen.
De rol van donkere materie in het jonge heelal
Donkere materie lijkt niet alleen belangrijk te zijn voor sterrenstelsels die we vandaag zien. Waarschijnlijk speelde ze ook een belangrijke rol bij de ontwikkeling van het jonge heelal.
Na het ontstaan van het heelal was materie niet overal precies gelijk verdeeld. Kleine verschillen in dichtheid konden door zwaartekracht steeds groter worden.
Donkere materie kon daarbij helpen om grote structuren te vormen.
Gas kon zich vervolgens verzamelen in gebieden waar veel massa aanwezig was. Uiteindelijk ontstonden daar de eerste sterren en sterrenstelsels.
Donkere materie kan daardoor een soort onzichtbare structuur hebben gevormd waarbinnen de zichtbare kosmos zich verder ontwikkelde.
Een kosmisch web
Op de grootste schaal is het heelal geen willekeurige verzameling sterrenstelsels.
Sterrenstelsels bevinden zich in groepen en clusters die samen enorme structuren vormen. Tussen deze gebieden bevinden zich uitgestrekte gebieden met veel minder materie.
Deze verdeling wordt vaak het kosmische web genoemd.
Volgens modellen vormt donkere materie een belangrijk onderdeel van dit netwerk. Langs grote structuren van donkere materie konden gas en sterrenstelsels zich verzamelen.
Het resultaat is een enorme kosmische structuur die zich over miljarden lichtjaren uitstrekt.
Waar is donkere materie van gemaakt?
Dat is een van de grootste onbeantwoorde vragen.
Wetenschappers hebben verschillende mogelijkheden onderzocht. Een veelbesproken idee is dat donkere materie bestaat uit nog onbekende elementaire deeltjes die maar zeer zwak met gewone materie reageren.
Er zijn verschillende kandidaten voorgesteld, maar tot nu toe is geen enkel specifiek deeltje overtuigend als donkere materie geïdentificeerd.
Ook zijn er experimenten op aarde die proberen directe signalen van donkere materiedeeltjes te vinden.
Tot nu toe blijven deze zoektochten bijzonder moeilijk.
Kunnen we donkere materie ooit rechtstreeks zien?
Dat is nog onbekend.
Als donkere materie inderdaad bestaat uit deeltjes die nauwelijks met licht en gewone materie reageren, kan het extreem moeilijk zijn om ze rechtstreeks te detecteren.
Wetenschappers gebruiken daarom verschillende methoden tegelijk.
Ze onderzoeken bewegingen van sterren en sterrenstelsels, zwaartekrachtlenzen, de ontwikkeling van het heelal en experimenten waarin geprobeerd wordt een directe interactie met donkere materie waar te nemen.
Door al deze onderzoeken te combineren hopen astronomen uiteindelijk te ontdekken wat donkere materie werkelijk is.
Is donkere materie hetzelfde als donkere energie?
Nee.
De namen lijken op elkaar, maar donkere materie en donkere energie zijn twee verschillende begrippen.
Donkere materie lijkt vooral samen te hangen met zwaartekracht en de manier waarop materie zich in het heelal verzamelt.
Donkere energie wordt gebruikt om een ander kosmisch verschijnsel te beschrijven: de versnelde uitdijing van het heelal.
Wat donkere energie precies is, weten wetenschappers eveneens nog niet.
Het is dus belangrijk om deze twee mysterieuze onderdelen van het heelal niet met elkaar te verwarren.
Misschien begrijpen we de zwaartekracht nog niet volledig
Er bestaat ook een andere mogelijkheid.
Sommige wetenschappers onderzoeken theorieën waarin de zwaartekracht op zeer grote schaal anders zou kunnen werken dan we momenteel denken.
Volgens bepaalde alternatieve theorieën zou een deel van de verschijnselen die we aan donkere materie toeschrijven misschien verklaard kunnen worden door een aangepaste beschrijving van zwaartekracht.
Tot nu toe geven de meeste waarnemingen echter sterke ondersteuning aan modellen waarin donkere materie daadwerkelijk aanwezig is.
Het onderzoek naar alternatieve verklaringen blijft belangrijk, omdat wetenschappers verschillende mogelijkheden met waarnemingen kunnen vergelijken.
Een onzichtbare wereld
Het bijzondere aan donkere materie is dat we haar niet rechtstreeks kunnen zien, maar haar aanwezigheid toch overal lijken tegen te komen.
De beweging van sterren, de structuur van sterrenstelsels, zwaartekrachtlenzen en de grote verdeling van materie in het heelal wijzen allemaal in dezelfde richting: er lijkt veel meer massa aanwezig te zijn dan we met onze ogen en telescopen kunnen waarnemen.
Toch weten we nog niet wat deze mysterieuze materie precies is.
Een van de grootste mysteries van het heelal
Donkere materie vormt een van de grootste open vragen binnen de moderne sterrenkunde.
We weten steeds beter waar de effecten ervan zichtbaar zijn en welke rol ze waarschijnlijk speelt bij de ontwikkeling van het heelal. Maar de fundamentele vraag blijft onbeantwoord: wat is donkere materie eigenlijk?
Nieuwe telescopen, ruimtemissies en experimenten op aarde kunnen de komende jaren nieuwe aanwijzingen opleveren.
Misschien ontdekken wetenschappers uiteindelijk een nieuw deeltje. Misschien blijkt onze huidige kijk op zwaartekracht aangepast te moeten worden. Of misschien wacht er een heel andere verklaring.
Juist omdat we het antwoord nog niet kennen, blijft donkere materie zo fascinerend.
Wat we aan de nachtelijke hemel zien, blijkt slechts een deel te zijn van een veel groter kosmisch verhaal. Achter de zichtbare sterrenstelsels bevindt zich een onzichtbare structuur die waarschijnlijk een belangrijke rol heeft gespeeld bij het ontstaan en de ontwikkeling van het heelal.
Donkere materie laat daarmee zien hoeveel er nog te ontdekken valt over de ruimte waarin we leven.