Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
Afbeelding van het sterrenstelsel M100 met de gecombineerde data van een optische, infrarood en röntgentelecoop 

Het is niet zichtbaar en werd in het leven geroepen om bewegingen van sterren en zelfs hele sterrenstelsels te verklaren. Al jaren zijn wetenschappers op zoek naar ‘donkere materie’. Bestaat het eigenlijk wel?

‘Dat je het niet ziet, wil in elk geval niet zeggen dat je het niet kunt onderzoeken,’ zegt Margot Brouwer, sterrenkundige aan de Universiteit Leiden. Ze maakt deel uit van een team van zo’n vijftien onderzoekers die onder leiding van professor Koen Kuijken de verdeling van donkere materie in het heelal in kaart wil brengen. Deze zogenaamde Kilo Degree Survey wordt de grootste en nauwkeurigste donkere-materiekaart van het heelal ooit.

Hoe maak je het onzichtbare zichtbaar? Donkere materie zelf is, de naam zegt het al: donker. Het reageert niet met gewone materie en vliegt overal doorheen. Toch denken veel wetenschappers dat het moet bestaan. Dat heeft te maken met waarnemingen die sterrenkundigen al sinds de jaren dertig doen. De planeten draaien om de zon, keurig zoals je verwacht; de binnenste planeten hebben een hoge snelheid, en hoe verder je naar buiten gaat, hoe langzamer de planeten hun baantje rond de zon draaien. Sterren en sterrenstelsels houden zich echter niet aan deze regel. Ze bewegen anders dan ze op basis van de natuurwetten zouden moeten doen. Sterren ver aan de buitenzijde van een sterrenstelsel bewegen veel sneller dan je zou verwachten. En sterrenstelsels die door de zwaartekracht naar elkaar toe getrokken worden, doen dat met een hogere snelheid dan je op basis van hun massa kunt verklaren. De oplossing: extra massa toevoegen die je niet kunt zien. Donkere materie.

Lenswerking

Door rondom de zichtbare materie in een sterrenstelsel een enorme wolk van donkere materie te plaatsen, kloppen ineens de bewegingen van sterren en sterrenstelsels weer. Maar hoe groot de wolk precies is, wordt nu onderzocht. Brouwer maakt hiervoor gebruik van de lenswerking van massa. Net zoals een lens dingen kan vervormen, kan grote massa dat ook. Grote massa kromt de ruimte en zorgt er voor dat licht wordt afgebogen. ‘Als je door de voet van een wijnglas naar een lichtpuntje kijkt, zie je de vorm van het lichtpunt veranderen. Het wordt afgebogen tot een soort banaan,’ licht Brouwer toe. Ditzelfde gebeurt wanneer je naar een ver gelegen sterrenstelsel kijkt en er tussen jou en het sterrenstel iets enorm zwaars zit. De mate waarin het licht van die verre sterrenstelsels wordt afgebogen, zegt iets over de massa tussen jou en die verre sterrenstelsels.

Helaas is het lenseffect maar heel minimaal, een sterrenstelsel op de achtergrond wijkt maar één procent af van zijn originele vorm. Daarom kijkt Brouwer naar duizenden individuele sterrenstelsels en bepaalt zo een gemiddelde verdeling van donkere materie per sterrenstelsel. ‘Zo hebben we inmiddels al een gebied aan de hemel zo groot als 2000 keer de volle maan in kaart gebracht, maar uiteindelijk wordt dat ruim 7000 keer.’

Andere wetten

Hoe de verdeling van donkere materie in de ruimte er precies uitziet, wordt dus steeds duidelijker. Maar wat het is, blijft een groot raadsel. Er gaan ook geluiden op dat donkere materie helemaal niet bestaat. Theoretisch natuurkundige Erik Verlinde kwam in 2010 met een alternatief voorstel. ‘Newton werkt prima op aarde, Einsteins regels werken goed voor het zonnestelsel, maar voor de grotere schaal hebben we andere wetten nodig,’ aldus Verlinde. Hij werkt aan een model dat niet alleen de wetten voor zwaartekracht op grote schalen beschrijft, maar ook verklaart waarom ze zo werken. Verlinde staat op het punt om een nieuw artikel te publiceren waarin hij zijn theorie uitbreidt.

Margot Brouwer raakte geïnteresseerd in Verlindes ideeën. ‘Het enige wat ik observeer, is meer zwaartekracht dan we kunnen verklaren met de zichtbare materie. Maar waar die extra zwaartekracht vandaan komt? Tot nu toe ging ik uit van donkere materie. Maar het zou ook kunnen dat Verlinde gelijk heeft en de zwaartekracht niet zo werkt als we denken. We lijken in elk geval steeds dichter bij een antwoord te komen. Volgens Verlinde bestaat de donkere materiewolk niet en wordt alle zwaartekracht veroorzaakt door het kleine sterrenstelseltje in het midden. Dat kan ik testen. Ik kijk naar hoe voorgrondstelstels de achtergrondstelsels vervormen en haal daaruit de verdeling van donkere materie rond die voorgrondstelsels. Vervolgens kijk ik naar hoe Verlinde voorspelt dat de verdeling er uit zou moeten zien.’ Inmiddels heeft Brouwer haar resultaten op papier en al besproken met Verlinde. ‘Ik vind het heel spannend, voor zover ik weet ben ik de enige die hier nu aan werkt.’ Vanwege een mogelijke publicatie wil ze niet te veel zeggen. Bevestigen haar metingen zijn theorie? ‘Het lijkt vooralsnog verbazingwekkend goed te kloppen.’

De Kennis van Nu. Donderdag, NPO 2, 19.20-19.55 uur

KADER: Probleem met theorie Verlinde

Clusters van sterrenstelsels bestaan uit drie componenten: donkere materie, en zichtbare materie in de vorm van sterrenstelsels en gas. Van de zichtbare materie zit het grootste deel in het gas. Wat gebeurt er wanneer twee van die clusters op elkaar botsen? Er zit veel ruimte tussen de sterrenstelsels dus die schieten langs elkaar. Donkere materie trekt zich nergens wat van aan en schiet ook door elkaar heen. Alleen het gas botst op elkaar en blijft achter. Dat is wat volgens de theorie zou moeten gebeuren. Hoe zit dat in het echt? In bijvoorbeeld het botsende bulletcluster zie je inderdaad in het midden gas, en aan weerszijden clusters van sterrenstelsels. En door naar de lenswerking te kijken, ontdekten sterrenkundigen dat de meeste zwaartekracht zich bevindt op de plek waar ook de sterrenstelsels zijn. Terwijl daar niet de meeste zichtbare massa zit. Dit is dus een sterke aanwijzing voor donkere materie en een serieus probleem voor een alternatieve zwaartekrachtstheorie. Verlindes reactie: ‘Ik ben nog niet zover met mijn theorie dat hij ook voor dynamische systemen klopt.'

Ontdek meer in de special