V - Onbekend heelal - SRON Netherlands Institute for Space Research

Onbekend heelal: Waaruit bestaat de donkere materie en wat is de aard van de donkere energie?

Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links

Wat weten we niet?

Om met de deur in huis te vallen: van alles wat er in het heelal zit, zien we tot nu toe maar zo’n 4 (!) procent. Van 96 procent van het heelal weten we niet waaruit het bestaat. Wel is bekend dat het om twee verschillende ‘ingrediënten’ moet gaan: onzichtbare materie (22%) en iets waarvoor we geen betere naam hebben dan ‘donkere energie’ (74%).

Gewone materie bestaat uit protonen, neutronen, elektronen en een hele reeks fundamentele deeltjes. Alle bekende materie is er uit opgebouwd: sterren en planeten, gas en stof, en ook wijzelf. Gewone materie kan worden beïnvloed door de zwaartekracht. Zo blijven planeten in hun baan om hun ster, bewegen sterren door een sterrenhoop, en blijven wij ‘vastgeplakt’ aan de aarde. De aanwijzingen dat er iets niet klopt, komen vooral uit de sterrenkunde. Kortweg gezegd zien we op veel plaatsen meer zwaartekrachtseffecten dan we kunnen verklaren uit de som van de zichtbare materie. Er is dus materie zoek of … misschien wel onzichtbaar. Vandaar de term ‘donkere materie’. Waar die uit bestaat? Er zijn speculaties over exotische elementaire deeltjes. Of misschien gaat het toch (deels) om gewone massa en kijken we niet goed genoeg.

Ook voor de donkere energie komen de aanwijzingen uit de sterrenkunde en, toeval of niet, de mogelijkheid dat deze energie bestaat, is terug te vinden in de zwaartekrachtstheorie van Einstein. Wat klopt er niet? Sinds de oerknal dijt het heelal uit. Er is jarenlang een debat gaande geweest onder sterrenkundigen of de oerknal een eenmalige zaak is of niet. Het idee is dat de uitdijing wordt afgeremd door de zwaartekracht van de sterrenstelsels, die aan elkaar trekken. In principe zou de uitdijing tot staan kunnen worden gebracht, waarna de boel weer in elkaar stort: de Grote Ineenstorting of Big Crunch. Inmiddels is wel vast komen te staan dat we niet in zo’n ‘gesloten’ heelal leven, maar in een ‘open’ heelal. De zwaartekracht van zichtbare en onzichtbare materie is te weinig om de uitdijing ooit tot staan te brengen. Maar dan nog verwacht je dat die uitdijing wel vertraagt, zij het dat de vertraging zelf steeds minder wordt. Tot verrassing zien we dit niet en lijkt de uitdijing van het heelal zich juist te versnellen. Er is dus een of andere onbekende vorm van energie – donkere energie – die deze versnelling moet aandrijven. Wat die energie is? Ook hierover zijn er speculaties te over. Sommigen denken aan een quantum-effect, waarbij vacuüm toch een zekere druk oplevert. Hoe groter dit vacuüm hoe meer druk.

Wat weten we wel?

Donkere materie kan worden gemeten in en rond sterrenstelsels. Met name bij spiraalstelsels die we van opzij kunnen zien, levert dat duidelijke schattingen op. De meting gaat als volgt. Vanuit het centrum naar de rand van het stelsel meten we met welke snelheid de sterren bewegen. Dit kunnen we afleiden uit de verschuivingen van spectraallijnen in het spectrum, op basis van het Doppler-effect. Naar ons toe bewegende delen vertonen een blauwverschuiving en van ons af bewegende delen een roodverschuiving. Het effect is analoog aan wat we van geluidsbronnen kennen: de veranderende toon van een sirene als die voorbij rijdt. De toon is hoog als hij naar ons toe beweegt en laag als hij zich verwijdert. Met de metingen verkrijgen we het verband tussen de afstand tot het centrum van het stelsel, en de rotatiesnelheid. Dit verband vergelijk je met wat je kunt berekenen op basis van de massa die je ziet. Daarbij gebruik je in principe de gewone bewegingstheorie van Newton. Tussen de berekening en de waarneming zit een fors verschil. Je kunt ze ‘op elkaar’ krijgen door meer zwaartekracht toe te voegen. Dat reken je terug tot hoeveelheid donkere materie. In sommige gevallen blijkt de zichtbare materie maar 20% van de totale materie uit te maken. Er is dus een fors massatekort.

Gek genoeg vinden we dit niet in alle sterrenstelsels. Er zijn aanwijzingen dat het probleem in elliptische stelsels veel kleiner is, of zelfs niet bestaat! Dat maakt het mysterie nog groter. Uit waarnemingen aan clusters van sterrenstelsels blijkt dat de hoeveelheid donkere materie anders verdeeld is dan van de zichtbare materie. Bovendien zou de donkere materie in ‘klonters’ voorkomen van miljoenen zonsmassa’s.

Wat weten we verder over de donkere energie? Afstanden tot ver verwijderde sterrenstelsels meten we door uit het spectrum de vluchtsnelheid te meten. De ijking van het verband tussen vluchtsnelheid en afstand gebeurt met ‘standaardkaarsen’: supernovaexplosies. Binnen zekere marges kunnen we de verschillende soorten supernova’s herkennen en weten we welke absolute lichtkracht ermee samenhangt. Door die te vergelijken met de helderheid zoals we die zien, kunnen we de afstand berekenen. Nu blijkt dat het heelal zich in de eerste vijf miljard jaar van zijn bestaan zich gedraagt volgens wat we verwachten. De uitdijing vertraagt onder invloed van de zwaartekracht van de (donkere) materie in het heelal. Maar sinds die tijd treedt een versnelling op. Vooral de waarnemingen sinds 1998 van de Hubble ruimtetelescoop aan zwakke, ver verwijderde supernovae, hebben handen en voeten gegeven aan dit probleem. Steeds meer neigen astronomen ertoe om het fenomeen toe te schrijven aan het eerder genoemde vacuüm effect. Einstein voerde in zijn formules een zogeheten ‘kosmologische constante’ in, waarvan hijzelf overigens later dacht dat die nul moest zijn. Maar de fysische betekenis van deze constante is dat lege ruimte energie kan bezitten die zich manifesteert als een ‘druk’. Het is een effect van ruimte zelf, en dat effect groeit als de hoeveelheid ruimte toeneemt.

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

Donkere materie gaat geen andere wisselwerking aan dan met de zwaartekracht. Je kunt de donkere materie daarom niet rechtstreeks waarnemen met elektromagnetische straling. Wat je wel kunt proberen is om uit de verdeling en het gedrag van gewone materie, af te leiden waar (en hoeveel) donkere materie moet bestaan. Bovendien kun je proberen om eerst na te gaan of de donkere materie niet toch uit gewone materie kan bestaan. Bijvoorbeeld in de vorm van donkere objecten, bruine dwergsterren, en dergelijke. Er zijn aanwijzingen dat we zo op zijn minst een deel van het probleem kunnen oplossen.

Wat de donkere energie betreft is het woord vermoedelijk eerst aan de theoretici. Kunnen we uit de bestaande theorieën niet toch begrijpen wat het effect behelst? Moeten we de theorie van Einstein aanpassen? Of is er een heel andere theorie nodig, zoals snaartheorie? Vanuit de waarnemingen kunnen de theoretici worden geholpen door meer details te verzamelen over de verdeling van de donkere materie. Dat kan ook door te kijken naar de kosmische achtergrondstraling. Dat is straling afkomstig uit een periode zo’n 300.000 jaar na de oerknal, en waarin de verdeling van materie min of meer ‘ bevroren’ te zien is. De NASA-missie WMAP en de ESA-missie Planck leveren wat dit betreft zeer gedetailleerde informatie.

NASA heeft een ruimtemissie voorgesteld om de problemen proberen op te lossen: de Joint Dark Energy Mission (JDEM), later vervangen door WFIRST. De strategie richt zich op nog veel nauwkeuriger waarnemingen aan supernovae, en het in kaart brengen van het zwaartekrachtsveld in het heelal. Het is nog niet zeker of deze missie doorgaat.

ESA heeft ook een project in studie: EUCLID. De missie moet de aard van de donkere materie en donkere energie achterhalen via metingen in het zichtbare licht en het nabije infrarood.