In het Lambda-CDM-model dat kosmologen momenteel gebruiken om het heelal te beschrijven, is gewone materie — de atomen waaruit sterren, planeten en mensen bestaan — goed voor slechts 5 procent van alles wat bestaat. Donkere materie, een vorm van massa die nog nooit direct is waargenomen, is goed voor 26,8 procent, meer dan vijf keer zoveel, terwijl de resterende 68,2 procent bestaat uit donkere energie, een apart mysterie dat dit artikel slechts even aanstipt.
Niemand heeft ooit een deeltje van donkere materie geïsoleerd, gefotografeerd of precies kunnen verklaren waaruit het bestaat. Wat wetenschappers ervan overtuigde dat het bestaat, is ongeveer een eeuw aan indirecte aanwijzingen: sterrenstelsels die sneller draaien dan zou moeten, clusters van sterrenstelsels met veel meer zwaartekracht dan hun zichtbare materie kan leveren, en licht dat buigt rond klonten massa die zelf geen licht uitstralen. Dit artikel loopt door waar elk van die aanwijzingen vandaan kwam, in de volgorde waarin astronomen ze daadwerkelijk vonden.
Een naam die ontstond voordat er bewijs was
De term zelf is ouder dan het meeste bewijs ervoor. In 1906 gebruikte de Franse wiskundige en natuurkundige Henri Poincaré de uitdrukking matière obscure — letterlijk "donkere materie" — terwijl hij een eerdere schatting van Lord Kelvin besprak, die had gesuggereerd dat veel van de talloze sterren nabij de zon donkere, niet-lichtgevende objecten konden zijn in plaats van stralende. Poincarés essay verscheen decennia voordat Fritz Zwicky zijn clustermetingen deed of Vera Rubin haar sterrenstelselstudies uitvoerde: astronomen hadden al een woord voor het mysterie lang voordat ze er bewijs voor hadden.
Een draaiend sterrenstelsel geeft de eerste aanwijzing
De eerste harde gegevens kwamen van Vesto Slipher, die in 1914 een telescoop op het Andromedastelsel richtte en de eerste metingen deed die verbonden zijn met wat astronomen nu een rotatiecurve van een sterrenstelsel noemen — hoe de omloopsnelheid verandert met de afstand tot het centrum van een sterrenstelsel.
Slipher ontdekte iets vreemds: sterren aan één kant van Andromeda's centrale bulge naderden de aarde met ongeveer 320 kilometer per seconde, terwijl sterren aan de andere kant zich met slechts ongeveer 280 kilometer per seconde bewogen. Deze discrepantie was op zichzelf geen bewijs voor donkere materie, maar het was een vroeg signaal dat spiraalstelsels niet op de eenvoudige manier draaien zoals een zonnestelsel dat doet, en het zette een vraag in gang die decennia zou vergen om goed te doorgronden.
De astronoom die een cluster woog en te licht bevond
Fritz Zwicky bracht het raadsel in 1933 een stap verder. De Zwitserse astrofysicus, werkzaam aan Caltech, bestudeerde een cluster van sterrenstelsels en probeerde deze op twee verschillende manieren te wegen: eenmaal door het licht van de erin voorkomende sterrenstelsels op te tellen, en eenmaal door te meten hoe snel die sterrenstelsels onder invloed van de zwaartekracht van de cluster om elkaar heen bewogen. De twee antwoorden kwamen niet overeen.
Zwicky's op snelheid gebaseerde schatting kwam uit op ongeveer 400 keer meer massa dan de zichtbare sterrenstelsels konden verklaren — een kloof veel te groot om alleen met gewone sterren en gas te verklaren. Hij concludeerde dat het grootste deel van het zwaartekracht uitoefenende materiaal van de cluster donkere, onzichtbare materie moest zijn, een idee dat moest wachten op betere instrumenten voordat de rest van de sterrenkunde het serieus overnam.
De vrouw die moest vechten om te mogen kijken
Vera Rubin liep al tegen een barrière aan voordat ze ooit in de buurt kwam van het raadsel van de rotatie van sterrenstelsels: gewoon telescooptijd krijgen. Terwijl ze bij de Carnegie Institution werkte, vroeg ze in 1965 observatietijd aan bij het Palomar-observatorium en werd daarmee de eerste vrouwelijke astronoom die daar mocht observeren.
Een decennium later kreeg ze de kans om de grotere vraag te beantwoorden. Samen met astronoom Kent Ford presenteerde Rubin in 1975 haar bevindingen aan de American Astronomical Society: in spiraalstelsels bewegen sterren nabij de rand met een snelheid die dicht bij die van sterren dichter bij het centrum ligt, ongeacht hoe ver ze zich naar buiten bevinden — wat betekent dat de massa van een sterrenstelsel blijft toenemen ver voorbij het punt waar de zichtbare sterren ophouden. Dat is precies het soort extra, onzichtbare massa dat Zwicky had afgeleid uit sterrenstelselclusters, nu rechtstreeks gemeten binnen afzonderlijke sterrenstelsels.
Licht buigen om het onzichtbare in kaart te brengen
Zwaartekracht doet nog iets nuttigs: het buigt licht. Donkere materie kan niet rechtstreeks worden gefotografeerd, maar onderzoek gepubliceerd in Nature wijst gravitatielensing aan als de meest effectieve manier om het te detecteren: licht van verre sterrenstelsels buigt wanneer het concentraties van massa op de voorgrond passeert. Omdat het effect alleen afhangt van zwaartekracht, registreert het zowel donkere als gewone materie, wat het een van de weinige instrumenten maakt die kunnen achterhalen waar alle massa in het heelal zich werkelijk bevindt.
Die techniek heeft enkele gedetailleerde massakaarten opgeleverd. Een internationaal team analyseerde beelden van vijf delen van de hemel — een gecombineerd oppervlak gelijk aan ongeveer 2200 volle manen naast elkaar — met ongeveer 15 miljoen sterrenstelsels, en volgde hoe de zwaartekracht van het cosmische web hun licht boog. Los daarvan bouwde een team dat gebruikmaakte van de Cosmic Evolution Survey (COSMOS) van de Hubble-ruimtetelescoop, de grootste heelalverkenning die de telescoop ooit heeft uitgevoerd, met 70 astronomen onder leiding van Nick Scoville van Caltech, een driedimensionale kaart van de verdeling van donkere materie met hetzelfde lensprincipe.
De twee benaderingen komen ook niet altijd overeen met andere methoden. Het team van de brede hemelverkenning ontdekte dat hun eigen schatting van hoeveel materie zich doorheen de kosmos samenklontert, ruim onder het cijfer lag dat berekend was uit de waarnemingen van de Planck-satelliet — een discrepantie die wetenschappers nog steeds proberen op te lossen.
Een echo uit het vroege heelal
Donkere materie liet ook sporen achter in het oudste licht van het heelal. De kosmische microgolfachtergrond — licht dat vrijkwam toen het heelal ongeveer 375.000 jaar oud was — draagt minieme temperatuurverschillen die aantonen hoe materie, inclusief donkere materie, in dat vroege stadium al begon samen te klonteren.
NASA's Cosmic Background Explorer (COBE)-satelliet registreerde die minieme temperatuurverschillen over de hele hemel voor het eerst in 1992, en latere missies verfijnden het beeld. NASA's eigen tijdlijn plaatst die momentopname in een heelal dat al 13,77 miljard jaar aan het evolueren is, lang genoeg voor de zwaartekracht om kleine vroege fluctuaties in het heelal te vormen tot de sterrenstelsels, clusters en het cosmische web die astronomen vandaag in kaart brengen.
Een rivaliserende theorie, en een onderzoek dat doorgaat
Niet elke astrofysicus is ervan overtuigd dat donkere materie het juiste antwoord is. Al decennia meten onderzoekers meer zwaartekracht in de ruimte dan de zichtbare of bekende materie kan verklaren, en de gangbare oplossing is geweest om aan te nemen dat onzichtbare massa het gat opvult. Een minderheid stelt in plaats daarvan dat het echte probleem bij de zwaartekrachtswet zelf ligt: sterrenstelsels lijken regels te overtreden die teruggaan tot het werk van Isaac Newton aan het einde van de jaren 1600, wat de gemodificeerde newtoniaanse dynamica, of MOND, in leven heeft gehouden als rivaliserende verklaring.
Ondertussen gaat de directe zoektocht naar een donkere-materiedeeltje door. Eind 2025 sloot de LZ-detector voor donkere materie WIMP-interacties met werkzame doorsneden boven 9 GeV/c2 uit als mogelijke verklaring, en meldde ook de eerste bevestigde detectie van boor-8-zonneneutrino's via een verwant proces genaamd coherente elastische neutrino-kernverstrooiing. Welke verklaring uiteindelijk ook wint, de zoektocht naar de missende massa van het heelal is nog volop gaande.
Bronnen
- Unieke voorspelling van 'aangepaste zwaartekracht' daagt donkere materie uit | ScienceDaily
- Donkere materie kan gladder zijn dan verwacht | ESO
- WMAP-overzicht - NASA Science
- ESA - Eerste 3D-kaart van het steigerwerk van donkere materie in het heelal
- Kaarten van donkere materie onthullen kosmisch steigerwerk | Nature
- Wikipedia: Donkere materie
- Wikipedia: Vera Rubin
- Wikipedia: Rotatiecurve van een sterrenstelsel