Donkere materie: verschil tussen versies

Donkere materie is materie in het heelal, die niet zichtbaar is met optische middelen en dus niet te detecteren via de elektromagnetische straling die ons op aarde bereikt. Daarom wordt ze donkere materie genoemd, om haar te onderscheiden van de zichtbare materie. In 2009 (Caldwell en Kamionkowski) wordt gedacht dat de totale hoeveelheid massa/energie van het heelal bestaat uit

• 74% donkere energie
• 22% donkere materie
• 4% normale materie (baryonen).

Donkere materie wordt verondersteld te bestaan om de waargenomen baanbeweging van verre sterren en afgeplatte spiraalvormig sterrenstelsels (zoals ons eigen Melkwegstelsel) te verklaren op een wijze die zowel consistent is met de zwaartekrachttheorie als met de relativiteitstheorie. De zichtbare materie in deze sterrenstelsels heeft namelijk niet genoeg massa om de bewegingssnelheid van de sterrenstelsels in hun baan om het gemeenschappelijk zwaartepunt te kunnen verklaren. Om de bewegingssnelheid met de bestaande zwaartekrachttheorie en de relativiteitstheorie te kunnen verklaren, veronderstellen astronomen dat er extra materie aanwezig is die tot dusverre niet gedetecteerd kan worden.

Donkere materie en afgeplatte spiraalstelsels

In 1933 liet Fritz Zwicky zien dat er iets moest bestaan als donkere materie. Zijn observaties van sterrenstelsels in de Comacluster toonden bij acht daarvan dat ze snelheden bezaten die vele malen groter waren dan verwacht. De snelheden die Zwicky mat bedroegen 3 miljoen kilometer per uur, wat zou impliceren dat de massa zo'n 50 maal groter was dan verwacht werd op grond van de waarnemingen. Zwicky nam aan dat dunkele Materie, donkere materie dus, verantwoordelijk was voor deze hoge snelheden.

Rond 1978 deden de Amerikaanse sterrenkundigen Vera Rubin en Kent Ford snelheidsmetingen op afgeplatte spiraalvormige sterrenstelsels, zoals ons eigen Melkwegstelsel. De snelheidsmetingen werden uitgevoerd aan wolken waterstofgas, die zichtbaar zijn in de verste buitengebieden van het spiraalstelsel, waar vrijwel geen sterlicht geproduceerd wordt. Bij elliptische stelsels kon deze meetmethode niet worden toegepast, doordat hierin vrijwel geen gas voorkomt. Met de bekende gravitatiewetten werd uit de gemeten rotatiesnelheid van de afgeplatte stelsels de benodigde massa berekend. Deze massa was veel groter dan de massa die aanwezig was in de zichtbare sterren en gaswolken.

Anders gezegd: de buitengebieden van de spiraalstelsels draaien sneller rond dan verwacht werd op grond van de bekende massa. Er moet dus een sterker zwaartekrachtsveld zijn. Hiervoor werd hypothetisch aangenomen dat er onzichtbare massa aanwezig was in de sterrenstelsels. Deze werd donkere materie genoemd omdat ze niet zichtbaar is.

Het ontbreken van zwarte massa in elliptische sterrenstelsels (zie verderop in dit artikel) enerzijds, en een mogelijke alternatieve verklaring van de afwijkende gravitatiewet door een aanpassing van die wet voor verre afstanden anderzijds, geeft aan dat de theorie van de donkere materie niet de enige mogelijke verklaring is voor de afwijkende rotatiesnelheid van verre afgeplatte sterrenstelsels.

Eigenschappen

Opdat donkere materie een hypothetische verklaring zou kunnen zijn voor de bewegingssnelheid van sommige sterrenstelsels, moet die donkere materie aan de volgende eigenschappen voldoen:

• zij heeft massa
• zij bevindt zich in grote hoeveelheden in bepaalde sterrenstelsels in het heelal
• zij is niet zichtbaar, of anderszins te detecteren via de elektromagnetische straling die ons op aarde bereikt.

Oerknal

Donkere materie is ook een mogelijke oplossing voor bepaalde inconsistenties in de theorie van de oerknal. Metingen met de WMAP brachten aan het licht dat 23 % van de massa van het heelal donkere materie is, dat is veel meer dan de 4 % 'gewone' zichtbare materie. 73 % van de massa is donkere energie volgens E=mc². Niemand weet echter wat donkere materie is. Het verklaren van de aard van donkere materie is een van de grote problemen van de kosmologie. In filosofische terminologie gaat het om de gepostuleerde zogenaamde oerstof. Een mogelijke hypothese is het bestaan van deeltjes die slechts een zwakke interactie met hun omgeving hebben, de WIMP-deeltjes.

Klonters?

Op grond van onderzoek dat in het voorjaar van 2006 is gepubliceerd, beweren onderzoekers van het Instituut voor Astronomie van de Universiteit van Cambridge te hebben berekend dat donkere materie alleen voorkomt in "klonters" met een diameter van tenminste 1000 lichtjaar en een massa van ca. 30 miljoen zonnemassa's. Zij trekken hieruit de conclusie dat de gemiddelde snelheid van de donkere materie ongeveer 9 km/s bedraagt, hetgeen overeenkomt met een relatief hoge temperatuur van ongeveer 10 000 kelvin [1].

Donkere materie en elliptische sterrenstelsels

In april 2003 presenteerde een Europees team van astronomen verrassend nieuws op de Brits-Ierse National Astronomy Meeting in Dublin: elliptische sterrenstelsels lijken geen donkere materie te bevatten. Deze ontdekking was mogelijk door een nieuwe meettechniek, de Planetaire Nevel Spectrograaf waarbij gebruik werd gemaakt van planetaire nevels in plaats van waterstofgas.

Een verklaring voor deze waarneming is er nog niet. Misschien hebben elliptische sterrenstelsels een andere ontstaansgeschiedenis dan spiraalstelsels. Of misschien is de donkere materie verdwenen door de wisselwerking met andere stelsels.

Er is dus nog een dubbel mysterie:

• Wat is de aard van donkere materie in spiraalstelsels?
• Waardoor is er geen donkere materie in elliptische stelsels?

Men veronderstelt dat de meeste massa van het universum bestaat uit donkere massa. Er zou zeven maal zo veel donkere materie zijn als zichtbare materie. Dit is slechts een vierde van wat nodig is om de expansie van het universum te stoppen. Het bepalen van de aard van de donkere massa is bekend als 'het donkerematerieprobleem' of 'het probleem van de ontbrekende massa'. Het is één van de belangrijkste problemen van de moderne kosmologie.

Het meest algemene standpunt is dat donkere materie bestaat uit elementaire deeltjes, niet de gangbare elektronen, protonen en neutronen, maar neutrino's, axionen of hypothetische deeltjes gekend als zwak wisselwerkende massieve deeltjes (WIMPs), zoals de "neutralino's" (dit deeltje wordt voorspeld in supersymmetrische theorieën als een lineaire combinatie van de superpartners van het foton, het Z-boson en het neutrale Higgs-boson) of misschien is het een nog meer exotische vorm van materie.

Alternatieve zwaartekracht in sterrenstelsels

• Een alternatieve mogelijkheid om de gravitatiekrachten in sterrenstelsels te verklaren is te veronderstellen dat de gravitatiekrachten in sterrenstelsels groter zijn dan de Newtoniaanse bij grote afstanden. Dit kan men doen door te veronderstellen dat de kosmologische constante negatief is. (Deze waarde wordt verondersteld positief te zijn op basis van recente observaties.)
• Een andere mogelijkheid is een veranderende Newtoniaanse dynamica te veronderstellen. Een benadering, voorgesteld door Finzi (1963) en opnieuw door Sanders (1984), is de gravitatiepotentiaal U te vervangen door de veralgemeende uitdrukking

waarin m de massa voorstelt, r de afstand, G de constante van Cavendish en B en ρ aanpasbare parameters zijn. Binnen de mechanica van Newton geldt B = 0 en of ρ = oneindig.

Al deze benaderingen leiden echter tot moeilijke verklaringen van de verschillende gedragingen van de verschillende sterrenstelsels en clusters, terwijl deze makkelijk te beschrijven zijn door verschillende hoeveelheden donkere materie te veronderstellen. Een andere theorie voor de zwaartekracht moet ook het volgende kunnen verklaren:

1. de details van de vele zwaartekrachtslenzen,
2. verdeling van de achtergrondstraling
3. de groteschaalstructuren en
4. de precisiemetingen in ons zonnestelsel.

De huidige zwaartekrachtstheorie kan dit alles met de algemene relativiteitstheorie al wel verklaren.

Gegevens van de rotatiecurves van sterrenstelsels geven aan dat ongeveer 90 procent van de massa van een sterrenstelsel onzichtbaar is en alleen door het effect dat het op de zwaartekracht heeft ontdekt kan worden.

Soorten

Men veronderstelt dat er verschillende soorten donkere materie kunnen zijn:

• Baryonische donkere materie (baryonic dark matter). Dit zijn dezelfde deeltjes die ook elders voorkomen (in het bijzonder protonen en neutronen, die beiden baryonen zijn, vandaar de naam), maar op plaatsen die ervoor zorgen dat het niet, zoals de gewone sterren en gaswolken, zichtbaar is. Te denken valt aan planeten, bruine dwergen en zwarte gaten.
• Koude donkere materie (cold dark matter), ook wel WIMPs genoemd (voor Weakly Interacting Massive Particles). Dit bestaat uit nog onbekende deeltjes die massa hebben, maar geen lading, en ook niet onderhevig zijn aan de sterke kernkracht. Ze interageren dus alleen via de zwaartekracht en eventueel de zwakke kernkracht of nog onbekende krachten die 'gewone' materie niet voelt. In de loop der jaren zijn heel wat kandidaten voorgesteld; momenteel gelden de deeltjes die door de theorie van de supersymmetrie worden voorspeld (of althans de lichtste en daarom stabiele daarvan, vermoedelijk het neutralino) als de meest vooraanstaande kandidaat.
• Hete donkere materie (hot dark matter) verschilt daarin van koude donkere materie, dat de afzonderlijke deeltjes zeer licht zijn. Ze bewegen zich daardoor met een snelheid die dicht tegen de lichtsnelheid aanligt. Een voor de hand liggende kandidaat is hier het neutrino, dat, als het massa zou hebben (wat nog niet definitief is aangetoond, maar wel zeer waarschijnlijk lijkt), precies aan de voorwaarden voor hete donkere materie zou voldoen. Er worden echter ook wel andere kandidaten genoemd, zoals het axion.

Berekeningen geven aan dat er te weinig baryonische materie kan zijn om alle donkere materie te verklaren. Dit ligt aan de nucleosynthese in het jonge heelal. De aangetroffen abundanties (relatieve hoeveelheid voorkomen) van de diverse elementen en isotopen leveren daardoor behoorlijk strenge limieten aan de dichtheid van de baryonische materie in het jonge heelal.

Ook een model met alleen hete donkere materie voldoet niet. Hete donkere materie heeft veel minder de neiging om samen te klonten (dichtheidsvariaties te vormen) dan baryonische en koude materie. Als alle niet-baryonische materie heet zou zijn, zou er daarom onvoldoende samenklontering zijn om het ontstaan van sterrenstelsels te verklaren. Hete donkere materie wordt daarom steeds besproken als een deel van een gemengde theorie voor donkere materie.

Waarnemingen

Er zijn in 2009 zo'n 20 experimentele projecten om WIMPs te detecteren (Caldwell en Kamionkowski). Het gaat erom de 10 tot 100 keV waar te nemen die een WIMP uit de halo van de Melkweg achterlaat bij botsing met een atoomkern in een detector. Het probleem is dit verschijnsel te scheiden van de enorme ruis.

Het DAMA-experiment in het Gran Sasso-laboratorium onder de Apennijnen gaf aanwijzingen voor een stroom van donkere materie die spoort met de aardbaan door de halo van donkere materie rond de Melkweg. Maar dit resultaat is (nog) niet bevestigd door andere experimenten. De massa van de eenvoudigste supersymmetrische WIMP die werd voorgesteld ter verklaring van de DAMA-bevindingen, werd uitgesloten door andere experimenten.

Een andere mogelijkheid is de waarneming van de annihilatie van WIMPs, waarbij hoog-energetische fotonen en kosmische stralen in de vorm van positronen, anti-protonen en neutrino's vrijkomen met mono-energetische gammastraling. De dichtstbijzijnde bronnen zijn het centrum van de Melkweg, waar de dichtheid van donkere materie hoog is en de kernen van dwergstelsels rond de Melkweg.

In 2008 nam PAMELA - een detector voor kosmische straling op een satelliet - een onverwachte overvloed van positronen waar, net als de ballonproef ATIC die met een calorimeter werkte. Deze positronen zouden afkomstig kunnen zijn van de annihilatie van WIMPs.

Zie ook

• Donkere energie
• Snaartheorie

Bronnen

Wetenschappelijk

• Caldwell, Robert en Kamionkowski, Marc: Dark matter and dark energy, Nature, 458 (2009)487-489 (2 april 2009)

Populair

• Govert Schilling, Kosmische kiwi draait zonder donkere materie, Volkskrant 19 april 2003.
• Anouck Vrouwe : Duistere deeltjes, Algemeen Dagblad 3/9/03
• Engelstalige Wikipedia

Zie de categorie Dark matter van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.