Donkere Materie: De Materie Die We Niet Kunnen Zien

De Grieken hadden een eenvoudige en elegante formule voor het heelal: alleen aarde, vuur, lucht en water. Het blijkt dat er toch wat meer voor nodig is dan dat -- veel meer. Zichtbare materie (en dat is meer dan de vier Griekse elementen) beslaat maar 4% van het heelal. CERN-wetenschapper James Gillies vertelt ons waar de overige 96% uit bestaat (donkere materie en donkere energie) en hoe we die kunnen detecteren.

Bekijk hier de gehele les

De oude Grieken hadden een geweldig idee: het heelal is eenvoudig. Volgens hen had je maar vier elementen nodig om alles te maken: aarde, lucht, vuur en water.

Het is een mooie theorie, eenvoudig en elegant. Ze stelt dat combinaties van de basiselementen de wonderschone verscheidenheid van het heelal opleveren. Aarde en vuur bijvoorbeeld leveren droge dingen op. Lucht en water, natte dingen.

Toch had deze theorie een probleem: ze voorspelde niets dat gemeten kon worden, en meten is de basis van experimentele wetenschap. Erger nog, de theorie was fout.

De Grieken waren geweldige wetenschappelijke denkers en in de 5e eeuw voor Christus bedacht Leucippus van Milete één van de meest bestendige wetenschappelijke ideeën ooit. Alles wat we zien, bestaat uit piepkleine, ondeelbare stukjes spul, zogenaamde atomen.

Deze theorie is eenvoudig en elegant, en heeft een voordeel op de aarde, lucht, vuur en water theorie: ze klopt. Eeuwenlang wetenschappelijk denken en experimenteren heeft vastgesteld dat de echte elementen zoals waterstof, koolstof en ijzer in atomen kunnen worden opgebroken.

In Leucippus' theorie is de atoom het kleinste ondeelbare stukje spul dat nog herkenbaar is als waterstof, koolstof of ijzer. Wat alleen niet klopt aan Leucippus' idee is dat atomen wel deelbaar zijn. Daarnaast blijkt zijn atoomidee maar een klein stukje te verklaren van de opbouw van het heelal.

Wat het gewone heelal-spul lijkt te zijn, is eigenlijk nogal zeldzaam. Leucippus' atomen en de dingen waar ze van zijn gemaakt beslaan maar zo'n 5% van wat we kennen. Natuurkundigen kennen de andere 95% van het heelal als het donkere universum, wat gemaakt is van donkere materie en donkere energie. Hoe we dat weten? Nou, dat weten we omdat we kijken naar dingen en ze zien.

Dat lijkt misschien nogal simplistisch, maar het is eigenlijk nogal diepzinnig. Alles wat uit atomen bestaat, is zichtbaar. Het weerkaatst licht en we kunnen het zien. Als we de ruimte inkijken, zien we sterren en sterrenstelsels. Sommige daarvan, zoals degene waar wij in leven, zijn prachtige spiraalvormen die sierlijk door de ruimte tollen.

Toen wetenschappers voor het eerst de beweging van sterrenstelselgroepen maten in de jaren 30 en de hoeveelheid materie die ze bevatten wogen, wachtte hen een verrassing. Ze vonden dat er niet genoeg zichtbaar spul in die groepen zat om ze bijeen te houden. Latere metingen van individuele sterrenstelsels bevestigden dit raadselachtige resultaat. Er is gewoon niet genoeg zichtbaar spul in sterrenstelsels om genoeg zwaartekracht te bieden om ze bijeen te houden.

Volgens wat we kunnen zien, zouden ze uiteen moeten vliegen, maar dat doen ze niet. Dus moet er spul zijn dat we niet kunnen zien. Dat spul noemen we donkere materie.

Momenteel het beste bewijs voor donkere materie komt uit metingen van iets dat we de kosmische achtergrondstraling noemen, de nagloed van de oerknal, maar dat is een ander verhaal.

Alle huidige bewijzen wijzen op het bestaan van donkere materie en dat het een groot deel uitmaakt van die prachtige spiraalstelsels die de hemel vullen. Wat betekent dat?

We weten al lang dat de hemel niet om ons draait en dat we op een best gewone planeet wonen, in een baan om een best gewone ster, in de spiraalarm van een best gewoon sterrenstelsel.

De ontdekking van donkere materie brengt ons nog een stap verder uit het middelpunt van alles. Die vertelt ons dat het spul waar wij uit bestaan maar een fractie is van waar het heelal uit bestaat. En dat was niet alles.

Wetenschappers die de buitenste regionen van het heelal bestuderen bevestigden eerder deze eeuw dat alles niet alleen uit elkaar beweegt, zoals je zou verwachten in een heelal dat in een hete, dichte oerknal begon, maar dat de expansie van het heelal ook nog eens lijkt te versnellen. Hoe zit dat?

Ofwel is er een soort energie die die versnelling aandrijft, net zoals je energie levert om een auto te versnellen, ofwel gedraagt zwaartekracht zich niet precies zoals we denken.

De meeste wetenschappers denken dat het het eerste is: dat een soort energie de versnelling aandrijft. Dat noemen ze donkere energie. Met de beste huidige metingen kunnen we uitrekenen hoeveel van het heelal donker is. Het lijkt alsof donkere energie ongeveer 68% van het heelal uitmaakt en donkere materie ongeveer 27%. Dat laat maar 5% over voor ons en al het andere dat we kunnen zien.

Dus waar is dat donkere spul van gemaakt? Dat weten we niet. Er is een theorie die supersymmetrie heet, die het deels zou kunnen uitleggen. Supersymmetrie, of kortweg SUSY, voorspelt een heel scala nieuwe deeltjes. Uit sommige daarvan zou donkere materie kunnen bestaan.

Als we bewijzen zouden vinden voor SUSY, zou ons begrip kunnen groeien van 5% van het heelal begrijpen, die dingen die we kunnen zien, naar ongeveer een derde begrijpen. Niet slecht.

Donkere energie zou waarschijnlijk moeilijker te begrijpen zijn, maar er zijn wat speculatieve theorieën die een aanknopingspunt zouden kunnen bieden. Daaronder zijn theorieën die teruggrijpen op dat eerste geweldige idee van de oude Grieken, waar we enkele minuten geleden mee begonnen, het idee dat het heelal eenvoudig moet zijn.

Deze theorieën voorspellen dat er maar één element is waar de wonderschone verscheidenheid van het heelal uit voortkomt, een trillende snaar. Het idee is dat alle deeltjes die we vandaag de dag kennen gewoon verschillende harmonieën op de snaar zijn. Helaas zijn snaartheorieën vandaag de dag nog niet te testen. Maar met zoveel van het heelal nog niet onderzocht is de inzet hoog.

Voel je je door dit alles klein? Dat zou niet hoeven. Integendeel, verwonder je over het feit dat, voor zover we weten, jij lid bent van de enige soort in het heelal die ook maar enigszins in staat is de wonderen ervan te beginnen te begrijpen. En je leeft op het juiste moment om te zien dat ons begrip ervan explosief toeneemt.

 

Bron: TED.com