donkere materie en donkere energie

95 procent van het heelal bestaat misschien niet

Tientallen jaren dachten natuurkundigen dat veruit het grootste deel van het heelal uit donkere materie en donkere energie bestaat. Maar recente theorieën duiden erop dat de mysterieuze donkere materialen pure verzinsels zijn.

Tientallen jaren dachten natuurkundigen dat veruit het grootste deel van het heelal uit donkere materie en donkere energie bestaat. Maar recente theorieën duiden erop dat de mysterieuze donkere materialen pure verzinsels zijn.

Shutterstock

5 procent zichtbare materie, 27 procent donkere materie en 68 procent donkere energie. Dat is de formule van het heelal volgens de traditionele kosmologie.

Maar niemand weet wat donkere materie en donkere energie eigenlijk zijn. Daarom proberen natuurkundigen er met hightech apparatuur al tien jaar lang achter te komen waar het heelal nu écht uit bestaat. Ze hebben gevoelige detectoren gebouwd om donkere deeltjes op te vangen. Ze hebben de deeltjes zelf proberen maken in onderaardse versnellers. En ze hebben tot diep de ruimte in gekeken in de hoop een glimp op te vangen van de donkere bestanddelen. Allemaal vergeefs.

Het gebrek aan resultaten dreigt de kosmologie in een existentiële crisis te storten. Donkere materie en energie zijn namelijk nodig om de vergelijkingen te laten kloppen. Daarom zetten verschillende onderzoekers de laatste jaren vraagtekens bij het bestaan van de donkere materialen.

Theorie 1

Nieuwe gravitatiewet dumpt donkere materie

Het bestaan van donkere materie is in de jaren 1970 voorspeld toen observaties uitwezen dat de sterren zich niet volgens de gravitatiewet van Newton gedragen.

Die wet stelt dat de aantrekkingskracht van een groot lichaam op een kleiner, eromheen draaiend lichaam zeer snel afneemt met de afstand.

Sterren die het verst van het centrum van hun stelsel staan, zouden dus weggeslingerd moeten worden door de hoge rotatiesnelheid. Maar dat gebeurt niet.

Om de berekeningen toch te laten kloppen, voegden onderzoekers een kracht van een onbekende, onzichtbare massa toe.

Mordehai Milgrom werkte echter de theorie Mond uit, die stelt dat Newtons wet alleen in kleine systemen geldt.

Als de gravitatie over grote afstanden niet zo snel afneemt, is er geen donkere materie nodig om stelsels bijeen te houden.

Einstein door het donker gered

De begrippen donkere materie en energie zijn geïntroduceerd om Einsteins algemene relativiteitstheorie te redden.

Dit ingewikkelde theoretische werk uit 1915 ­omvat ook Newtons gravitatiewet en beschrijft hoe massa het huidige universum heeft gecreëerd, samen met de zwaartekracht. De hele ontwikkeling vanaf de oerknal, toen de uitdijing van het heelal begon, tot nu toe zit erin en is bovendien bevestigd door diverse astronomische observaties. De onderzoekers verwerpen Einsteins veelomvattende werk daarom niet, al zijn er nu problemen ontstaan door nieuwe waarnemingen.

Het eerste probleem deed zich in in 1933 voor. De Zwitserse astronoom Fritz Zwicky ontdekte dat de cluster Coma zich niet houdt aan de gravitatiewet.

Volgens Newton wordt de wederzijdse aantrekkingskracht van twee lichamen bepaald door hun massa: hoe meer massa, des te groter de aantrekkingskracht. Bovendien neemt de aantrekkingskracht van een groot lichaam op een kleiner lichaam dat eromheen draait, met de afstand sterk af.

Zwicky had gemerkt dat de Comacluster zo snel draait dat de zwaartekracht van zichtbare sterren en gassen in de stelsels hem onmogelijk als geheel kan vasthouden – door de snelle rotatie zouden de stelsels alle kanten op moeten schieten. Volgens hem moest de cluster dus wel een onzichtbare massa bevatten.

In de jaren 1970 bleek uit meerdere observaties dat dit probleem ook geldt voor de sterren in afzonderlijke stelsels: de stelsels draaien zo snel dat ze de buitenste sterren niet in hun baan kunnen houden zonder hulp van de zwaartekracht van een onbekende massa. Daarom vonden de wetenschappers een mysterieuze donkere materie uit, die het probleem kon oplossen.

Theorie 2

Er zijn in het heelal miljarden zwarte gaten: materie met een enorme dichtheid. Volgens een nieuwe theorie vormen oude zwarte gaten de onbekende donkere materie in het heelal. Net na de oerknal zijn er mogelijk miljarden zwarte gaten met een massa van een honderdste zonnemassa tot 10.000 zonnemassa’s ontstaan. De kleinste pakten zich samen rond de sterrenstelsels, waar ze in een schijf draaien. De aantrekkingskracht van de gaten kennen we nu als het effect van donkere materie.

Bewijs: Supernova’s leiden tot zwarte gaten van 5-15 zonnemassa’s. Als de astronomen een zwart gat van minder dan vijf zonnemassa’s vinden, moet het uit de tijd van de oerknal stammen.

© Mikkel Juul Jensen

1. Oerknal vormt gaten

In de seconde na de oerknal dijt het heelal sneller uit dan de lichtsnelheid. Die explosieve ontwikkeling creëert onregelmatigheden in de dichtheid van materie, en kleine zwarte gaten ontstaan in de ‘hobbels’ waar de meeste materie is samengepakt.

© Mikkel Juul Jensen

2. Kleine gaten gaan samen

In de eerste miljard jaar na de oerknal gaan de grootste zwarte gaten samen doordat ze elkaar aantrekken. Hierbij ontstaan superzware zwarte gaten, die zich nu in het centrum van de sterrenstelsels bevinden.

© Mikkel Juul Jensen

3. Heelal wordt gatenkaas

Veel kleine zwarte gaten blijven echter zelfstandig en vormen een schijf rond een sterrenstelsel. Hier fungeren ze als donkere materie.

Het heelal dijt versneld uit

Met de uitvinding van donkere materie klopte de relativiteitstheorie weer – totdat de astronomen in 1998 ontdekten dat de uitdijing van het heelal versnelt.

Tot die tijd dachten onderzoekers dat het tempo van de uitdijing constant was of vertraagde, want de stuwende kracht stamt van de oerknal. De nieuwe astronomische observaties duidden er echter op dat verre ontploffende sterren onverwacht zwak licht gaven in vergelijking tot supernova’s in de buurt.

De beste verklaring van het verschijnsel was dat verre supernova’s verder weg zijn van de aarde dan het leek, doordat de uitdijing van het heelal in een stroomversnelling was beland. Die steeds snellere uitdijing legden de wetenschappers uit aan de hand van een donkere energie die de grenzen van het heelal naar buiten toe verschuift – en toen klopten de vergelijkingen weer.

Einstein had gelijk – zonder het te weten

Donkere energie is verenigbaar met de relativiteitstheorie; Einstein voerde zelf al een vorm van afstotende energie in.

Toen de theorie in 1915 werd gepubliceerd, dachten astronomen nog dat het heelal statisch was en dat sterrenstelsels stilstonden. Daarom introduceerde Einstein een afstotende kracht die de zwaartekracht tegenwerkt in zijn poging om de stelsels naar elkaar toe te trekken. Zo zou er weer een evenwicht ontstaan.

Toen Edwin Hubble in 1929 bewees dat het heelal niet statisch is maar zich naar alle kanten uitbreidt, noemde Einstein de introductie van de afstotende kracht de grootste blunder van zijn hele carrière.

Maar zo ver zat Einstein er niet naast. Hij kende de afstotende kracht weliswaar een verkeerde rol toe, als tegenhanger van de zwaartekracht, maar het idee zelf heeft veel gemeen met de donkere energie.

Volgens de relativiteitstheorie bevat een vacuüm van een zekere omvang altijd dezelfde hoeveelheid afstotende energie. Naarmate het heelal uitdijde, nam ook het vacuüm toe en won de donkere energie aan kracht. De moderne kosmologie houdt het erop dat de afstoting 6 miljard jaar geleden zo krachtig werd dat de donkere energie de poging van de zwaartekracht om het heelal samen te trekken, overwon, waardoor de uitdijing kon versnellen.

Theorie 3

© shutterstock/mikkel juul jensen

Afstoting morrelt aan de grenzen van het heelal

Als we donkere energie vervangen door antimaterie, valt te verklaren waardoor het heelal steeds sneller uitdijt. Bij de oerknal zou er naast gewone materie (boven) antimaterie (onder) zijn ontstaan. De twee werden al na 1 seconde gescheiden doordat de deeltjes elkaar afstootten. Materie vormde sterrenstelsels en antimaterie antisterrenstelsels, die elkaar bij een botsing zouden vernietigen. De afstoting van de twee leidt tot de versnellende uitdijing van het heelal – en donkere energie komt er niet aan te pas.

Bewijs: Sinds 2011 zoekt een detector op het ruimtestation naar antikoolstof en zwaardere antiatomen die ontstaan kunnen zijn in antisterren in antisterrenstelsels.

Donkerte is theoretische gatenvuller

De uitvinding van donkere materie en energie waren enorme correcties op de kosmologie: samen maken ze 19 procent van het heelal uit. Maar daarvoor zijn bewijzen nodig.

Astronomen en natuurkundigen hebben echter nog geen licht kunnen werpen op de donkere kant van het universum. Daarom doen wetenschappers 95 procent van het heelal af als theoretisch dwaalspoor en gooien ze het over een andere boeg.

De radicaalste nieuwe theorie, Mond genoemd, komt van de Israëlische onderzoeker Mordehai Milgrom. Hij denkt dat de onbekende materie in het heelal helemaal niet bestaat.

De snelle rotatie van stelsels is zo lastig uit te leggen doordat er een fout zit in Newtons gravitatiewet. Milgrom is van mening dat de zwaartekracht over grote afstanden niet zo sterk afneemt als de eeuwenoude theorie voorspelt.

Volgens Newton wordt de aantrekkingskracht van een lichaam bepaald door zijn massa. Maar bij een groot lichaam, zoals een concentratie van sterren midden in een sterrenstelsel, neemt de aantrekkingskracht op de buitenste sterren die eromheen draaien enorm snel af wanneer de afstand ertussen groter wordt. Dat betekent dat de sterren midden in een stelsel de sterren aan de rand niet bij zich kunnen houden.

Volgens Mond geldt de theorie in kleine systemen als het zonnestelsel, maar in grote structuren als een stelsel met een omvang van 100.000 lichtjaar geldt de zwaartekracht maar tot op zekere hoogte, afhankelijk van de massa in het stelsel. Vanaf deze grens neemt de zwaartekracht niet zo veel meer af als Newton zegt. De zwaartekracht van de zichtbare materie van een sterrenstelsel kan de buitenste sterren toch vasthouden in hun baan.

Veel wetenschappers verwierpen Milgroms theorie onmiddellijk. Hij legt niet uit waarom de zwaartekracht zich anders gedraagt dan we dachten, en zijn nieuwe gravitatiewet beschrijft niet de ontwikkeling van het heelal vanaf de oerknal.

Maar na de observatie van 153 sterrenstelsels geeft de Amerikaanse astronoom Stacy McGaugh Mond gelijk. De theorie klopt met het gedrag van de stelsels en verklaart hun rotatie zonder dat er donkere materie aan te pas komt.

Theorie 4

Versnellende uitdijing is gezichtsbedrog

De traditionele kosmologie stelt dat het heelal zo’n 6 miljard jaar geleden versneld is gaan uitdijen door toedoen van donkere energie. Sommige natuurkundigen denken nu echter dat donkere energie niet bestaat – en die versnelde uitdijing ook niet.

Volgens de klassieke astronomie heeft het heelal een vlakke geometrie: parallelle lichtstralen blijven altijd parallel lopen. Deze theorie houdt in dat de stralen elkaar niet kruisen en ook niet verstrooid raken, al schiet het licht het hele heelal door.

Maar volgens de nieuwe theorie is de geometrie van het heelal 6 miljard jaar terug veranderd. Doordat de materie in clusters van sterrenstelsels rond vacuüms belandde, was de massa in het heelal zeer ongelijk verdeeld.

Daardoor kromde de ruimte zich zodanig dat de parallelle lichtstralen zich over grote afstanden gingen spreiden. En zo ging het heelal groter lijken dan het is.

Bewijs: Om de theorie te onderbouwen, moet de uitdijing van het heelal door miljarden jaren heen in kaart worden gebracht. Het beste instrument hiervoor is de satelliet Euclid, die in 2020 wordt gelanceerd.

/ 3

Materie is verspreid

Na de oerknal heeft het heelal een vlakke geometrie met clusters van materie, waardoor parallelle lichtstralen zich niet spreiden.

1

Sterrenstelsels ontstaan

1 miljard jaar na de oerknal zijn er al grote sterrenstelsels, maar de materie is nog ongelijkmatig verdeeld en lichtstralen spreiden zich niet.

2

Enorm vacuüm gevormd

8 miljard jaar na de oerknal zijn clusters van sterrenstelsels rond enorme vacuüms samengepakt. De zeer scheve verdeling van massa en leegte kromt het heelal zodanig dat lichtstralen worden verstrooid op hun reis door de vacuüms. Dat leidt tot gezichtsbedrog: het heelal lijkt steeds sneller uit te dijen, maar de uitdijing verloopt in werkelijkheid gelijkmatig.

3
© Mikkel Juul Jensen

Donkere energie is een rekenfout

Ook het grootste bestanddeel van het heelal, donkere energie, staat ter discussie als natuurkundigen en astronomen de moderne kosmologie herzien. Een recente theorie stelt dat we donkere energie alleen vanwege een simpele rekenfout nodig hebben om de uitdijing van het heelal te verklaren.

De vergelijkingen van de relativiteitstheorie zijn zo complex dat de wetenschappers die moeten vereenvoudigen, maar zo kunnen er grote afwijkingen in de resultaten optreden als de berekeningen maar lang genoeg worden uitgevoerd.

Wetenschappers van de Hongaarse Loránd Eötvös-universiteit vinden dat donkere energie een resultaat is van de versimpelde berekeningen. Ze hebben het daarom anders aangepakt en kunnen de versnelde uitdijing verklaren zonder donkere energie. Donkere kracht zou dus puur een verzinsel zijn.

Theorie 5

Dat we geen donkere materie kunnen vinden komt misschien doordat we zoeken naar de verkeerde deeltjes. Donkere massa zou uit deeltjes zonder lading bestaan. Die reageren alleen via de zwaartekracht met andere deeltjes. Maar het donker in het heelal kan ook een onzichtbare schaduwkant zijn, die zich intern gedraagt als zichtbare materie en ook via de zwaartekracht reageert.

Bewijs: Schaduwfotonen kunnen ontstaan door elektronen op metaal te schieten. Volgens de theorie vervallen die snel tot elektronen- en positronenparen.

© shutterstock

Schaduwmaterie moet zich in een schijf rond de sterren bevinden, wat volgens nieuwe observaties ook het geval is.

© shutterstock

Schaduwdeeltjes zijn, anders dan donkere materie, geladen, net als gewone deeltjes. De zware en lichte varianten komen overeen met protonen en elektronen.

© shutterstock

De deeltjes kunnen samengaan en schaduwatomen vormen.

© shutterstock

Schaduwdeeltjes en -atomen beïnvloeden elkaar door net als zichtbare deeltjes en atomen licht uit te wisselen. De uitwisseling van schaduwfotonen verspreidt de materie door het hele heelal.

Het uur der waarheid is nabij

Momenteel geloven de meeste kosmologen, astronomen en natuurkundigen nog in de theorieën over donkere materie en donkere energie, en ze werken onverdroten door om het bestaan daarvan aan te tonen.

Maar als de komende jaren geen resultaten kunnen overleggen, moeten ze wel inzien dat ze tientallen jaren achter iets hebben aan gezeten wat helemaal niet bestaat.

Dan moeten ze dus ook aan een nieuwe, alternatieve theorie om het mysterieuze gedrag van het heelal te verklaren.