De donkere materie bestaat echt

Het bestaan van donkere materie werd al jaren vermoed, maar is nu direct aangetoond in sterrencluster 1E0657. Opgelost is het raadsel nog lang niet.

Amerikaanse astronomen hebben een direct bewijs voor de aanwezigheid van donkere materie in het heelal gevonden. Zij melden binnenkort in de Astrophysical Journal Letters dat uit gecompliceerde metingen aan interstellair gas in het sterrencluster 1E0657 (op een afstand van 4 miljard lichtjaar) de aanwezigheid van die geheimzinnige vorm van materie kan worden afgeleid.

Deze donkere materie is niet zichtbaar doordat hij – voor zover nu bekend – geen straling uitzendt. Hij verschilt waarschijnlijk ook fundamenteel van de ons vertrouwde materie, die uit protonen, neutronen en andere bekende deeltjes bestaat. Donkere materie verraadt zich alleen via zijn zwaartekracht. Astronomen denken dat een groot deel van het heelal uit donkere materie bestaat.

Astronomen hebben al tientallen jaren indirecte aanwijzingen voor het bestaan van materie in het heelal, die afwijkt van de zichtbare materie. Zoals dat sterrenstelsels sneller om hun as en om elkaar draaien dan op grond van hun zichtbare massa – en de wetten van Kepler en Newton – te verwachten is. Geschat wordt dat slechts 5 procent van het heelal uit zichtbare materie bestaat en 25 procent uit donkere materie. Wat overblijft is nog exotischer: ‘donkere energie’ of ‘vacuümenergie’. Die is enkele jaren geleden geïntroduceerd om een mysterieuze versnelling in de uitdijing van het heelal te kunnen verklaren.

Het nu door Clowe en collega’s gevonden resultaat bevestigt dat de meeste materie in het heelal inderdaad niet zichtbaar is. Het verkleint de noodzaak van alternatieve gravitatietheorieën, maar maakt de vraag naar de ware aard van deze donkere materie des te prangender.

Douglas Clowe en zijn collega’s onderzochten een grote opeenhoping (cluster) van sterrenstelsels (die ieder weer uit miljarden sterren bestaan). Het unieke van deze ‘bullet’-cluster, 1E0657, is dat hij uit twee componenten bestaat die in het verleden door elkaar heen zijn geschoven. De componenten bewegen zich met een snelheid van 4500 kilometer per seconde uit elkaar. Nog maar 100 miljoen jaar geleden moeten ze vrijwel één geheel hebben gevormd.

Clusters bestaan niet alleen uit sterrenstelsels maar ook uit gas. Dit gas – of beter gezegd plasma – is zo heet, dat het röntgenstraling uitzendt en met behulp van die straling is de totale massa van dat gas te bepalen. Die massa is vaak groter die van de gezamenlijke sterrenstelsels. Bij de bullet cluster is het centrum van elk van de twee gaswolken iets verschoven ten opzichte van het centrum van de respectievelijke opeenhoping van sterrenstelsels. Dit komt doordat het gas tijdens de ontmoeting van de twee clusters weerstand ondervond en werd afgeremd, terwijl de sterrenstelsels elkaar vrijwel ongemoeid passeerden. Het gas is achtergeraakt op de sterrenstelsels.

Clowe en collega’s redeneerden nu als volgt. Als zich in de twee clusters géén donkere materie bevindt, zou het massamiddelpunt van de clusters moeten samenvallen met het middelpunt van de gaswolken: die vormen immers de zwaarste, zichtbare component van de twee clusters. Als zich in de twee clusters echter wél donkere materie bevindt, zou die tijdens het door elkaar heen bewegen van de clusters net zo min als de sterrenstelsels weerstand hebben ondervonden en in hetzelfde tempo door bewegen. Het massamiddelpunt van de clusters zou dan nu moeten samenvallen met het middelpunt van de verzamelingen sterrenstelsels.

Waar ligt nu het massamiddelpunt (zichtbare plus onzichtbare materie) van de twee clusters? Om dit te bepalen, maakten de astronomen gebruik van een effect dat ‘zwakke lenswerking’ wordt genoemd: de vervorming van de beeldjes van verre sterrenstelsels door het gravitatieveld van een dichterbijstaande cluster van sterrenstelsels. Hierdoor worden deze beeldjes ietwat uitgerekt in een richting loodrecht op die naar het centrum van de cluster, en wel sterker naarmate diens massa groter is. Omdat de achtergrondstelsels zelf allerlei vormen en oriëntaties hebben, is dit effect alleen merkbaar bij een statistische analyse van grote aantallen stelsels.

Door deze vervorming van verre sterrenstelsels te meten op opnamen van onder meer de Hubble Telescope kon Clowe afleiden dat het massamiddelpunt van de twee clusters niet samenviel met het middelpunt van de gaswolken, maar wel met dat van de sterrenstelsels in de clusters. En dat is het bewijs dat deze clusters inderdaad donkere materie bevatten.