Donkere materie is een mysterieuze, niet-lichtgevende substantie die de overgrote meerderheid van de materie in het heelal uitmaakt. Hoewel deskundigen al tientallen jaren de gravitatie-effecten van donkere materie waarnemen, blijven wetenschappers in het duister tasten over de ware aard ervan.
Wie ontdekte donkere materie?
In de late 19e eeuw begonnen astronomen te speculeren over onzichtbare materie – ofwel zwakke sterren of gas en stof, verspreid door het heelal. Onderzoekers waren zelfs begonnen met het schatten van de massa ervan, volgens een recensie uit 2018 in het tijdschrift Reviews of Modern Physics. De meesten dachten dat deze mysterieuze substantie een kleine component was van de totale massa in de kosmos.
Het was pas in 1933 dat de Zwitsers-Amerikaanse astronoom Fritz Zwicky opmerkte dat verre sterrenstelsels veel sneller om elkaar heen draaiden dan mogelijk zou moeten zijn gezien hun zichtbare materie gezien in telescopen. “Als dit zou worden bevestigd, zouden we het verrassende resultaat krijgen dat donkere materie in veel grotere hoeveelheid aanwezig is dan lichtgevende materie,” schreef hij in een artikel dat dat jaar in het tijdschrift Helvetica Physica Acta werd gepubliceerd.
Maar velen in het veld bleven sceptisch over Zwicky’s resultaten tot de jaren 1970, toen astronomen Kent Ford en Vera Rubin gedetailleerde studies maakten van sterren in de buitenste regionen van het naburige Andromeda melkwegstelsel. Deze sterren draaiden veel te snel om de galactische kern heen, bijna alsof een onzichtbaar materiaal aan hen trok en hen voortduwde – een observatie die wetenschappers al snel opmerkten in sterrenstelsels overal in het heelal.
Onderzoekers hadden geen idee waar deze onzichtbare massa uit bestond, waarbij sommige astronomen speculeerden dat donkere materie bestond uit kleine zwarte gaten of andere compacte objecten die te weinig licht uitstraalden om door telescopen te kunnen worden waargenomen. De resultaten werden nog vreemder in de jaren 1990, toen een ruimtetelescoop genaamd de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) aantoonde dat deze donkere materie vijf keer zwaarder woog dan gewone zichtbare materie, volgens NASA.
Waarom donkere materie een mysterie blijft
Telescooponderzoeken waren nooit in staat om genoeg kleine compacte objecten te vinden om deze enorme overvloed aan materie te verklaren. De meeste hedendaagse astronomen denken dat donkere materie waarschijnlijk bestaat uit subatomaire deeltjes met eigenschappen die nogal verschillen van de meer bekende protonen en neutronen.
De heersende kandidaat voor donkere materie wordt een Weakly Interacting Massive Particle of WIMP genoemd. Deze speculatieve entiteiten worden niet gevonden in het Standaard Model van de deeltjesfysica, dat bijna alle deeltjes en krachten beschrijft. WIMP’s zouden meer lijken op het spookachtige neutrino, behalve dat het 10 tot 100 keer meer zou wegen dan een proton. (De exacte massa’s van neutrino’s zijn onbekend, maar zij zijn veel lichter dan elektronen).
Zoals neutrino’s, zouden WIMPs slechts met twee van de vier fundamentele krachten in het heelal interageren: Zwaartekracht en de zwakke kernkracht, die het verval van radioactieve atoomkernen bemiddelt. Deze donkere materie deeltjes zouden elektrisch neutraal zijn, wat betekent dat ze niet zouden interageren met elektromagnetisme, de basis van licht, en daarom onzichtbaar zouden blijven.
Fysici hebben enorme detectoren gebouwd en ze diep onder de grond geplaatst om ze te beschermen tegen storende kosmische straling in pogingen om WIMPs te detecteren, maar tot nu toe heeft geen enkel experiment bewijs voor hen gevonden. In de afgelopen jaren heeft deze mislukking ertoe geleid dat sommigen in het veld zich beginnen af te vragen of ze op een wilde deeltjesjacht zijn gegaan zonder echt einde.
Enkele wetenschappers richten daarom hun aandacht op een nieuwere kandidaat voor donkere materie, het axion, dat een miljoenste of zelfs een miljardste van de massa van een elektron zou hebben, aldus de Proceedings of the National Academy of Science. Deze hypothetische deeltjes zijn bijzonder aantrekkelijk voor onderzoekers omdat ze ook een ander openstaand probleem in de natuurkunde zouden kunnen oplossen, mogelijk in wisselwerking met neutronen om te verklaren waarom ze magnetische velden kunnen voelen, maar geen elektrische.
In juni 2020 kondigden leden van het XENON1T-experiment, gevestigd in het Gran Sasso National Laboratory in Italië, een detector die oorspronkelijk was gebouwd om te proberen WIMPs te vangen, aan dat ze een klein maar onverwacht signaal hadden gevonden dat kon worden verklaard door de aanwezigheid van axionen. De resultaten schokten de wetenschappelijke gemeenschap, maar moeten nog door andere experimenten worden bevestigd.
Is donkere materie wel echt?
Dit betekent dat onderzoekers nog steeds op hun hoofd krabben over wat donkere materie nu precies is. Sommige theoretici hebben zich afgevraagd of er een hele donkere sector van het universum is, met meerdere deeltjes en zelfs donkere krachten die alleen donkere materie beïnvloeden, verwant aan de subatomaire complexiteit die in de zichtbare kosmos wordt gezien.
Tegelijkertijd gelooft een minderheid van wetenschappers dat donkere materie een luchtspiegeling is. Zij onderschrijven een idee dat bekend staat als de gewijzigde versie van traagheid, of MOND, die veronderstelt dat op grote schalen de zwaartekracht anders werkt dan verwacht en dat dit de waargenomen rotaties van sterren en melkwegstelsels verklaart. Maar de meeste deskundigen zijn niet overtuigd van de noodzaak om zo radicaal af te wijken van de bekende natuurkunde, die ook wijzigingen zou vereisen in ons begrip van grote delen van de werkelijkheid.
Donkere materie is, voor zover bekend, niet verbonden met donkere energie, een ander mysterieus verschijnsel dat verantwoordelijk is voor het versnellen van de uitdijing van de kosmos. De twee hebben alleen het woord “donker” gemeen, dat door wetenschappers vaak als plaatsvervanger wordt gebruikt voor dingen die zij niet helemaal begrijpen.