Tasten in het duister

Honderd jaar geleden reikte ons blik niet verder dan ons eigen melkwegstelsel. Nu vallen er talloze sterrenstelsels binnen onze horizon. Daartussen zwerft ook nog tien keer meer materie die voor ons onzichtbaar is. Krijgen we er greep op? Margriet van der Heijden

Is de wetenschap af? Tien jaar geleden dacht de Amerikaanse wetenschapsjournalist John Horgan in zijn bestseller The end of science van wel. De grootste ontdekkingen zijn wel zo’n beetje gedaan, vond hij. Zelfs in de kosmologie, waar het verhaal van de oerknal in grote lijnen is geschetst. Kosmologen restte volgens Horgan eigenlijk weinig anders dan het invullen van details of het bedrijven van ‘ironische wetenschap’ – het twisten over onderwerpen die toch niet experimenteel te toetsen zijn.

Maar je kunt een half leeg glas natuurlijk ook half vol zien. Voorlopig is de stand in de kosmos zo: Alle materie die wij in het universum ‘zien’ – de sterren die licht uitzenden, de sterrenstelsels die tientallen miljarden van die sterren herbergen en de clusters waarin tientallen of honderden van die sterrenstelsels gegroepeerd zijn –, al die objecten beslaan minder dan één procent van het universum. Nog eens drie procent van het heelal bestaat uit dezelfde materie, maar dan in de vorm van hete gaswolken die rond de clusters hangen en die zich alleen verraden door de röntgenstraling die zij uitzenden.

De overige 96 procent is, simpel gezegd, zoek. Iets omslachtiger: er zijn sterke aanwijzingen dat het leeuwendeel van de kosmos bestaat uit onbekende vormen van materie en energie, maar over de aard daarvan hebben we hooguit vage vermoedens. Er valt al met al dus nog wel iéts te ontdekken.

In zijn krap bemeten en met paperassen volgestouwde werkkamer op het Amsterdamse Pannekoekinstituut moet Ed van den Heuvel, één van de éminences grises van de Nederlandse astronomie, nogal grinniken om de vraag of dat zoekgeraakte heelal niet gewoon een misvatting kan zijn, een verkeerde interpretatie van meetgegevens. En of de veronderstelling dat er andere vormen van materie zijn – vreemde, onbekende deeltjes dus misschien – de zaak niet nodeloos ingewikkeld maakt. “Waarom zouden er geen andere deeltjes zijn? Waarom zou alle materie in het heelal dezelfde materie zijn als die waaruit mensen en de aarde bestaan? Dat lijkt me een nogal pre-Copernicaanse blik op materie.”

meetgegevens

Hij bekijkt nog eens de publicatie die vorige week op de website van het wetenschapsblad Nature verscheen. Astronoom Richard Massey en zijn collega’s uit zes landen combineerden daarin listig de meetgegevens van de Hubble-ruimtetelescoop, van de XMM-röntgensatelliet en van verschillende aardse telescopen. Wekenlang hadden die telescopen een stukje van de hemel afgetast zo groot als ongeveer acht volle manen, en met een blik die reikte tot zeven miljard lichtjaar weg. Het eindresultaat is de eerste driedimensionale kaart van de donkere materie in een klein stukje van het heelal: een kaart die ‘wolken’ laat zien en dunnere slierten daartussen. “Ongelooflijk knap”, vindt Van den Heuvel. “Het is zo razend moeilijk om al die uiteenlopende gegevens te combineren.”

Toch levert ook de nieuwe kaart geen direct bewijs voor het bestaan van onzichtbare donkere materie. De kaart werd afgeleid uit de invloed die de donkere materie verondersteld wordt te hebben op het zichtbare licht van verre sterrenstelsels. Maar de aanwijzingen voor donkere materie beginnen zich op te stapelen, zegt Van den Heuvel.

“Onze waarnemingen worden altijd beperkt door de mogelijkheden. Tot de jaren zestig konden we door het ontbreken van satellieten geen röntgenstraling uit het heelal waarnemen. We wisten dus niet dat de meeste ‘normale’ materie verzameld is in hete gassen in plaats van in sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels.” Anders gezegd: nieuwe technieken – zoals voor waarneming van röntgen-, ultraviolet- en infraroodstraling – bieden nieuwe vensters op het heelal. En als we eenmaal donkere materie ‘echt’ kunnen zien, zal dat voor weer heel andere vergezichten zorgen, denkt Van den Heuvel. “We hebben dat raam nu op een kier gezet.”

jan oort

Astronomen vermoeden inmiddels al 35 jaar dat het universum gevuld is met donkere materie. Anders gezegd: met materie die ongevoelig is voor de elektromagnetische kracht en die daarom geen zichtbaar licht, geen infrarode, röntgen of andere elektromagnetische straling uitzendt of weerkaatst. En die daardoor voor ons onzichtbaar blijft. In eerste instantie tenminste. Want de donkere materie laat zich gelden via de zwaartekracht. En verraadt zo, indirect, toch zijn aanwezigheid.

De eerste aanwijzingen voor donkere materie stammen uit 1932. Toen publiceerde de befaamde Nederlandse astronoom Jan Oort een artikel over ons melkwegstelsel. Hij liet zien dat de buitenste sterren veel sneller om het centrum van het melkwegstelsel bewegen dan op grond van de zwaartekracht tussen de zichtbare materie te verwachten valt. Alsof er in en rondom het melkwegstelsel eigenlijk twee keer meer materie is dan wij zien.

Een jaar later toonde de Zwitserse sterrenkundige Fritz Zwicky aan dat zoiets ook geldt voor de sterrenstelsels in de relatief nabije Comacluster. Ze bewegen zo snel dat de cluster eigenlijk uit elkaar zou moeten vallen. Tenzij er op een of andere manier tien keer meer materie in de cluster is dan wij waarnemen.

Die ‘bizarre ideeën’ kregen pas weerklank in de jaren zeventig. Uit jarenlang systematisch onderzoek van de Amerikaanse astronoom Vera Rubin bleek toen dat wat Zwicky en tot op zekere hoogte Oort vonden, voor alle onderzochte sterrenstelsels gold: ze bevatten veel meer materie dan we ‘zien’.

Kosmologen kwamen in de jaren daarna op andere gronden tot dezelfde conclusie. Zij moesten het verhaal van de oerknal sluitend krijgen en verklaren hoe de prille beginstadia van de kosmos evolueerden tot het universum dat wij dat nu waarnemen.

nagloeiend

Cruciale puzzelstukjes daarbij zijn de babyfoto’s van het universum, gemaakt met de Boomerang-radiotelescoop en de COBE en WMAP-ruimtesondes. De opnames tonen het heelal zo’n 380.000 jaar na de oerknal, nog nagloeiend en heet, gevuld met onsamenhangende materie en doortrokken van kleine rimpelingen. Om te verklaren hoe daaruit de huidige structuren van sterrenstelsels voortkwamen in een heelal dat langzaam maar eeuwig lijkt uit te dijen (zogezegd ‘vlak’ is), én om die rimpelingen zelf te begrijpen, moesten ook kosmologen aannemen dat het heelal ruwweg tien keer meer materie bevat dan wij zien.

Die donkere materie zou de voor ons zichtbare materie ordenen. Daar waar verdichtingen (rimpelingen) in de donkere materie zijn, is de zwaartekracht sterker. De zichtbare materie beweegt daar naartoe, alsof het in kuilen rolt. En omdat de zichtbare materie wél de elektromagnetische kracht (en de sterke kernkracht) voelt, balt deze materie zich na verloop van tijd samen in sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels die vervolgens als minuscule stofjes dobberen in de zee van de donkere materie.

De zichtbare structuren die zo ontstaan, werden door de Amerikaanse astronoom Margaret Geller ooit vergeleken met schuim in een gootsteen. In deze metafoor komen de vliezen en de raakpunten tussen de belletjes overeen met de verdichtingen in de donkere materie waarin de stralende sterrenstelsels gerangschikt zijn.

Vorig jaar augustus liet het team van de Amerikaanse astronoom Douglas Clowe – indirect – donkere materie zien in twee clusters van sterrenstelsels die door elkaar schoven. En nu is er dus de kaart van Richard Massey en collega’s met wolken (de raakpunten tussen de belletjes) en slierten (de vliezen).

“Het is een mooi resultaat. Solide. Knap werk. Maar het biedt geen verrassingen.” In zijn werkkamer, met veel ramen en veel boeken, tempert de Leidse kosmoloog Vincent Icke bij voorbaat eventuele euforie over deze nieuwste resultaten. Hij schuift een zakje bruine boterhammen en een sinaasappel opzij om een afstudeerscriptie uit 1999 te laten zien. Daarin rekende een van zijn studenten uit welk effect donkere materie op ver sterlicht kan hebben.

“Omdat donkere materie zwaartekracht uitoefent, kromt de ruimte – zoals de relativiteitstheorie van Einstein dicteert – op plaatsen waar meer donkere materie is opgehoopt. Daar ontstaat als het ware een kuil en ook de banen van het licht zijn daar gekromd. Anders gezegd: het licht valt er een beetje naar de donkere materie toe.” De donkere materie tussen een ver sterrenstelsel en de aarde werkt zo als een lens – vandaar de naam ‘gravitatielens’.

“Eerder hebben we op grond van een bepaalde verdeling van donkere materie uitgerekend wat er met het licht van verre sterrenstelsels gebeurt. Nu hebben Richard Massey en zijn collega’s het omgekeerde gedaan: uit de gemeten vervormingen van het licht hebben ze de verdeling van donkere materie berekend. En dat is knap, maar niet revolutionair. Hun kaart laat zien wat we al verwachtten.”

Een revolutie is het pas als ontdekt wordt waaruit donkere materie bestaat. Het huidige vermoeden is dat de donkere materie voor een miniem deel bestaat uit ‘gewone’ materie die onzichtbaar blijft omdat zij is samengebald in zwarte gaten, opgehoopt in verre, uitgedoofde sterren of geklonterd tot stersplinters, te klein om te ontbranden. Een kleine bijdrage zou komen van de neutrino’s, ongrijpbare deeltjes met een minuscule massa die met bijna de lichtsnelheid en in onvoorstelbaar grote aantallen door het heelal bewegen. De overgrote rest zou bestaan uit minstens zo ongrijpbare deeltjes, maar dan veel zwaarder en veel trager. Die zouden, te ver van elkaar vandaan om te botsen, door de kosmos warrelen – op sommige plaatsen ietsje dichter op elkaar gehoopt dan elders.

Als dat idee klopt, zou er ruwweg per ‘koffiekop kosmos’ één zo’n onmetelijk klein en ongrijpbaar deeltje voorkomen. Alleen op heel grote schalen zou de zwaartekracht van heel veel van die deeltjes samen dus merkbaar zijn. In ons melkwegstelsel en in ons zonnestelsel, waar ‘gewone’ materie dicht op elkaar gepakt is in sterren, de zon en planeten, zouden de donkere deeltjes juist in het niet vallen.

“Maar het staat nog helemaal niet vast dat de donkere materie uit deeltjes bestaat”, zegt Icke. “Tijd en ruimte zijn in ons idee ook niet uit deeltjes opgebouwd.” Ze vormen een continuüm, een weefsel zonder onderbrekingen. “En als ik moest gokken, dan zou ik misschien wel zeggen dat ook de donkere materie uit zo’n continuüm bestaat.”

Ook wat de interpretatie van de metingen betreft wil Icke nog wat slagen om de arm houden. “De donkere materie hangt in mijn ogen nauw samen met de donkere energie.” Hoewel aanvankelijk nog helemaal door de zwaartekracht in toom gehouden, zou die donkere energie sinds een paar miljard jaar bewerkstelligen dat het heelal alsmaar sneller uitdijt. Kosmologen nemen aan, alweer om het verhaal van de oerknal sluitend te krijgen en om uit te komen op een vlak én versneld uitdijend heelal, dat de donkere energie ongeveer zestig tot zeventig procent van de kosmos uitmaakt. En afgezien van andere haken en ogen is het, zegt Icke, “toch wel erg toevallig dat wij, nog maar net als apen uit de bomen van Afrika geklommen, meteen waarnemen dat er ruwweg evenveel donkere energie en donkere materie in het heelal is.” Ofwel: zien we niet toch iets over het hoofd in de metingen of de interpretatie?

neutralino

“Ik heb er zin in”, zegt Stan Bentvelsen in zijn ruime werkkamer op het NIKHEF, het Nederlands instituut voor subatomaire fysica. Jarenlang hebben hij en zijn groep gewerkt aan onderdelen en software voor de ATLAS-detector. Dat gevaarte, zo groot als een kathedraal, staat bij de nieuwe LHC-deeltjesversneller van het Cern, het Europees instituut voor deeltjesonderzoek in Genève, en is nu bijna af. Gelukkig, zucht Bentvelsen, die al dat ‘in elkaar schroeven nu wel zat’ is.

Waar hij zin in heeft, zijn de metingen. Die beginnen april 2008 als alles goed gaat en ‘dat zal nog een koortsachtige klus worden’. Het hoofddoel ervan, benadrukt Bentvelsen, is de zoektocht naar het zogeheten Higgsdeeltje. “Voor deeltjesfysici is het een must om uitsluitsel te geven over dat Higgs-deeltje.” Maar àls donkere materie uit deeltjes bestaat, dan is de ATLAS-detector bij LHC ook een uitgelezen plek om eventuele kandidaten daarvoor te ontdekken.

In deze versneller, de krachtigste op aarde, worden lokaal dichtheden en energieën bereikt die doen denken aan beginstadia na de oerknal. Omstandigheden dus, waarin donkere materie misschien geproduceerd zou kunnen worden. Een deel van de Vici-premie van 1,25 miljoen euro, die Bentvelsen eind vorig jaar van NWO kreeg, wil hij daarom gebruiken om naar aanwijzingen voor zulke donkere materie-deeltjes te gaan zoeken.

“Het is fascinerend dat de wereld van het kleinste en die van het grootste zo bij elkaar zouden kunnen komen”, zegt Bentvelsen. “En het zou prachtig zijn als we de donkere materie in handen kregen. Als donkere materie, anders gezegd, geproduceerd zou kunnen worden onder gecontroleerde omstandigheden zoals in een deeltjesversneller.” Maar de kunst is nu eerst, zegt hij, om te kijken welke kandidaten voor de donkere materie te vinden zijn in de deeltjesversneller.

kroon

Het favoriete scenario daarvoor hangt samen met het Higgsdeeltje. Dat deeltje moet de kroon worden op het standaard model dat de bouwstenen van alle ons bekende materie beschrijft. Maar als deze kroon inderdaad bestaat en gevonden wordt, brengt dat ook weer nieuwe problemen met zich mee.

Het Higgsdeeltje moet verklaren waarom alle bouwsteentjes van de ons bekende materie (van het lichte elektron, via zogeheten W- en Z-deeltjes, tot het zware topquark) massa hebben. De Higgs moet als het ware zorgdragen voor deze massa’s. Maar dat lukt alleen als het Higgsdeeltje zelf vrij licht is. Terwijl uit de gewone natuurkundige regels juist volgt dat het vreselijk zwaar zou moeten zijn.

Een mogelijke uitweg is het veronderstellen van een nieuwe generatie deeltjes – zogeheten supersymmetrische deeltjes – die de Higgs licht kunnen houden. Bentvelsen: “Het gaat dan om een hele trits. Voor elk deeltje dat we tot dusver gevonden hebben, zou er in dit scenario een supersymmetrische partner bestaan.”

Die supersymmetrische partners zijn zwaar, te zwaar om in vorige en bestaande deeltjesversnellers geproduceerd te kunnen zijn. Ze zijn ook verder vrij ongrijpbaar en juist daarom perfecte kandidaten voor de donkere materie. Bentvelsen: “En het mooie is dat we dit met LHC kunnen onderzoeken. Het net gaat zich dus sluiten.”

In de LHC-versneller zou het lichtste supersymmetrische deeltje, het ‘neutralino’, kunnen opduiken. “En het is toch prachtig dat één deeltje zowel in de deeltjesfysica als in de kosmologie een heleboel kan oplossen?”

Maar Bentvelsen relativeert dat enthousiasme ook weer meteen. Want het is ‘maar een van de scenario’s’. Naast allerlei andere mogelijkheden die ook opengehouden moeten worden. “En wie zegt dat het allemaal zo eenvoudig is?”

Het kan dus nog allerlei kanten opgaan. Zoals Van den Heuvel eerder zei: “Waarom in vredesnaam zouden we in 2007 alle deeltjes ontdekt hebben die er in het heelal zijn?” Of in de woorden van Icke: “In feite weten we over de donkere materie nog helemaal niets.” En gelukkig maar: alles weten is erg saai.