Duistere materie

Donkere materie - het klinkt geheimzinnig. Al in de jaren dertig zagen de astronomen ver verwijderde sterrenstelsels ronddraaien met een snelheid die veel hoger was dan je op grond van de waargenomen massa zou verwachten. Kennelijk ontbrak er massa. Aanvankelijk was de hoop gevestigd op betere telescopen, maar ook daarmee werd op den duur geen extra massa ontdekt. Al in 1933 had de Zwitserse astrofysicus Fritz Zwicky geopperd dat het heelal maar voor een heel klein deel bestaat uit zichtbare materie, zoals zonnen en sterren. Vakgenoten verklaarden hem voor gek. Toegegeven, Zwicky was geen meestercommunicator en een vriendelijk karakter had hij evenmin. Maar de geschiedenis heeft hem gelijk gegeven, zegt de Utrechtse sterrenkundige Bram Achterberg. Het heelal bestaat maar voor 4 procent uit zichtbare materie. De rest is opgebouwd uit donkere materie en donkere energie.

Hoe kun je merken dat iets er is, als het geen licht uitzendt?

Achterberg: ,,Daar komt ons de mechanica te hulp. We kunnen het bestaan van deze donkere materie wel indirect aantonen, omdat hij net zoals alle andere materie massa heeft, die tot uiting komt in de zwaartekracht en de effecten ervan op zichtbare materie, zoals sterren en melkwegstelsels. De zwaartekracht is de kracht die bijvoorbeeld melkwegstelsels of groepen van melkwegstelsels bij elkaar houdt. Je kunt de massa van donkere materie niet afleiden uit de lichtopbrengst maar wel uit de snelheden waarmee melkwegstelsels roteren of in een groep om elkaar bewegen. Daaruit kun je de bijbehorende massa afleiden. Alleen moet je daarvoor heel nauwkeurig weten hoe ver zo'n melkwegstelsel weg staat en het is lange tijd erg lastig geweest om die afstand heel precies te bepalen. Pas de laatste twintig jaar is dat met het voortschrijden van de techniek gelukt. Nu accepteren we dat bijna het hele heelal uit donkere materie bestaat.''

Bizar.

,,Nou nee. Er zijn wel rationele verklaringen voor. Volgens de simpelste theorie zou het om waterstofgas gaan, het eenvoudigste atoom uit het heelal. Sterren bestaan voor meer dan 90 procent uit samengebald waterstofgas. Misschien bestaat donkere materie uit diffuus waterstofgas? Maar volgens metingen met de gevoeligste radio- of röntgentelescopen blijkt dat toch niet te kloppen, de hoeveelheid diffuus waterstofgas in het heelal is simpelweg te klein om de benodigde massa te leveren voor al die donkere materie.

,,Misschien zit dat waterstofgas dan toch samengebald, bijvoorbeeld in zwarte gaten of bruine dwergen [objecten met onvoldoende massa om waterstoffusie in de kern op gang te brengen, red.]. Met de Hubble Space telescoop is een flink aantal bruine dwergen gevonden en daaruit kon men afleiden hoeveel bruine dwergen er in het heelal zijn. Nou, dat zijn er ook te weinig voor een goeie verklaring. We denken dat het om bepaalde, nog niet ontdekte elementaire deeltjes gaat, die in deeltjesexperimenten heel moeilijk te ontdekken zijn omdat ze vrijwel geen wisselwerking vertonen.

,,Uit de fraaie spiraalstructuur van sommige melkwegstelsels kun je de aanwezigheid van donkere materie afleiden. Vermoedelijk zit al die donkere materie als een halo om ieder groter melkwegstelsel. In het meetbare deel van het heelal zijn er pakweg 100 miljard melkwegstelsels, en het totale aantal is misschien wel oneindig.''