Donkere materie: de onzichtbare massa die het heelal bijeenhoudt
Kijk op een heldere nacht naar de sterrenhemel en je ziet vooral licht: sterren, sterrenstelsels, gaswolken. Toch bestaat volgens astronomen het grootste deel van de massa in het heelal uit iets dat helemaal geen licht uitzendt, opneemt of weerkaatst. Dat onzichtbare spul noemen wetenschappers donkere materie. Het is iets anders dan donkere energie (die drijft juist de uitdijing van het heelal aan) en heeft ook niets te maken met zwarte gaten, hoewel de namen in het dagelijks taalgebruik vaak door elkaar lopen.
Een eenvoudige analogie: stel je een draaimolen voor die veel sneller ronddraait dan je zou verwachten op basis van het gewicht dat je kunt zien. Zonder extra, onzichtbare massa die alles bij elkaar houdt, zouden de buitenste bakjes er allang zijn afgevlogen. Iets vergelijkbaars zien astronomen bij sterrenstelsels: de buitenranden draaien veel sneller om het centrum dan de zwaartekracht van alle zichtbare sterren en gas zou toestaan. Er moet dus extra massa aanwezig zijn die we niet zien, maar wel voelen via haar zwaartekracht. Die massa noemen we donkere materie.
Wat is het precies?
Donkere materie is in de eerste plaats een waarneming, geen bewezen deeltje. Astronomen zien overal in het heelal aanwijzingen voor extra zwaartekracht die niet te verklaren is met de materie die we kunnen zien of meten met telescopen. Het bewijs komt uit meerdere onafhankelijke hoeken.
Ten eerste zijn er de al genoemde rotatiecurven van sterrenstelsels: metingen van hoe snel sterren om het centrum van hun stelsel draaien. De Amerikaanse astronome Vera Rubin liet in de jaren zeventig zien dat deze snelheden niet afnemen naarmate je verder van het centrum komt, zoals je zou verwachten, maar min of meer gelijk blijven. Dat wijst op een uitgestrekte, onzichtbare massahalo rond elk sterrenstelsel.
Ten tweede is er zwaartekrachtlens-werking (gravitational lensing): massa buigt licht af, zoals een lens dat doet. Door te meten hoe sterk het licht van verre sterrenstelsels wordt vervormd wanneer het langs een cluster van sterrenstelsels reist, kunnen astronomen de totale massa van dat cluster in kaart brengen, ook de massa die je niet kunt zien. Die metingen laten steeds veel meer massa zien dan de zichtbare sterren en gas verklaren.
Ten derde bevestigt de kosmische achtergrondstraling — het overgebleven licht van vlak na de oerknal — met grote precisie hoeveel gewone materie, donkere materie en donkere energie het heelal bevat. De ruimtetelescoop Planck van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA mat tussen 2009 en 2013 dat ons heelal grofweg voor 5% uit gewone (atomaire) materie bestaat, voor 27% uit donkere materie en voor 68% uit donkere energie.
Het woord "materie" suggereert dat het om deeltjes gaat, maar welke deeltjes dat zijn is nog onbekend. Kandidaten zijn onder meer WIMP's (Weakly Interacting Massive Particles, zware deeltjes die nauwelijks reageren met gewone materie), axionen (extreem lichte hypothetische deeltjes) en sterk gekoelde neutrino's. Geen van deze deeltjes is ooit rechtstreeks aangetoond.
Wat wil men ermee bereiken?
De zoektocht naar donkere materie draait om een fundamentele vraag: waar bestaat het heelal eigenlijk uit? Het standaardmodel van de deeltjesfysica, dat decennialang uitstekend heeft voorspeld hoe gewone materie zich gedraagt, heeft geen plek voor een deeltje dat aan alle waargenomen eigenschappen van donkere materie voldoet. Het vinden ervan zou dus nieuwe natuurkunde blootleggen, voorbij het huidige model.
Daarnaast is donkere materie onmisbaar om te begrijpen hoe sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels zijn ontstaan. Computersimulaties van de evolutie van het heelal kloppen alleen met de waargenomen structuren — het "kosmische web" van sterrenstelsels — als je donkere materie als bouwsteen meerekent. Zonder die onzichtbare massa zou de zwaartekracht van gewone materie alleen niet genoeg zijn geweest om binnen de leeftijd van het heelal sterrenstelsels te vormen.
Tot slot is er een praktisch instrumenteel doel: de allergevoeligste detectoren die voor donkere materie worden gebouwd, duwen de grenzen op van wat meetbaar is op het niveau van individuele deeltjes. Die technologie vindt soms ook toepassing elders, bijvoorbeeld in extreem stralingsarme meetopstellingen voor andere natuurkundig onderzoek.
Voorbeelden uit de praktijk
Hoewel donkere materie geen "product" is, lopen er wereldwijd grote experimenten en waarnemingsprojecten om het te vinden of in kaart te brengen.
- Bullet Cluster (waargenomen vanaf 2006): röntgenbeelden van de Chandra-ruimtetelescoop van twee botsende clusters van sterrenstelsels laten zien dat het gewone gas (dat wél röntgenstraling uitzendt) achterblijft ten opzichte van de zwaartekrachtmassa (gemeten via lensing). Dit wordt gezien als een van het sterkste directe bewijs dat donkere materie een aparte component is, en niet slechts een verkeerd begrepen zwaartekrachtwet.
- XENONnT, Gran Sasso-laboratorium (Italië), sinds 2020: een ondergrondse detector gevuld met vloeibaar xenon die wacht tot een donkere-materiedeeltje zeldzaam tegen een xenonatoom botst.
- LUX-ZEPLIN (LZ), Sanford Underground Research Facility (VS), sinds 2021: vergelijkbare xenon-detector, diep onder de grond in een voormalige goudmijn in South Dakota, om kosmische straling buiten te houden.
- PandaX-4T, Jinping-laboratorium (China), operationeel sinds 2020: Chinese tegenhanger van deze xenon-experimenten, eveneens diep ondergronds.
- Euclid-ruimtetelescoop (ESA), gelanceerd in 2023, en de Vera C. Rubin Observatory (VS), eerste beelden in 2025: beide brengen met grootschalige hemelsurveys de verdeling van donkere materie in kaart via zwaartekrachtlens-effecten, in plaats van het deeltje zelf te zoeken.
Hoe ver is de techniek?
Ondanks decennia van onderzoek is er nog nooit een donkere-materiedeeltje rechtstreeks aangetoond. De ondergrondse detectoren zoals XENONnT en LZ zijn intussen extreem gevoelig geworden, maar hebben tot dusver alleen steeds strengere grenzen gesteld aan hoe zwaar of hoe zeldzaam zulke deeltjes moeten zijn. Grote delen van het theoretisch "zoekgebied" voor WIMP's zijn hierdoor uitgesloten, wat de druk op dit model vergroot.
Ook de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN heeft gezocht naar donkere-materiedeeltjes die mogelijk bij hoogenergetische botsingen ontstaan, zonder overtuigend resultaat. Indirecte detectie — zoeken naar signalen van donkere materie die elkaar vernietigt in de ruimte, bijvoorbeeld met de Fermi-gammastralentelescoop of de IceCube-neutrinodetector op de Zuidpool — heeft evenmin een ondubbelzinnig signaal opgeleverd.
Dit gebrek aan een directe treffer heeft ertoe geleid dat alternatieve verklaringen serieuzer worden bestudeerd, zoals aangepaste zwaartekrachttheorieën (bekend als MOND, Modified Newtonian Dynamics). Deze verklaren sommige waarnemingen, zoals rotatiecurven, redelijk goed, maar hebben grote moeite met ander bewijs zoals de Bullet Cluster en de kosmische achtergrondstraling. De overgrote meerderheid van kosmologen houdt daarom vast aan het bestaan van donkere materie als deeltje, ook al is dat deeltje nog niet gevonden. Toekomstige detectoren, zoals het geplande DARWIN-experiment (een opvolger van XENONnT), moeten de gevoeligheid verder vergroten, al is er ook een fysische ondergrens: op een gegeven moment worden signalen van kosmische neutrino's zo talrijk dat ze een mogelijk donkere-materiesignaal overstemmen.
Wie werken eraan?
Het onderzoek naar donkere materie is sterk internationaal en multidisciplinair. Grote deeltjesfysicalaboratoria als CERN (Zwitserland/Frankrijk) en Fermilab (Verenigde Staten) zoeken via versnellerexperimenten en detectorbouw. Ondergrondse laboratoria zoals het Laboratori Nazionali del Gran Sasso (Italië), de Sanford Underground Research Facility (VS) en het Jinping-laboratorium (China) huisvesten de gevoeligste directe-detectie-experimenten.
Op het gebied van kosmologische waarnemingen spelen ruimtevaartorganisaties een grote rol: ESA met de Euclid-missie, NASA met de geplande Nancy Grace Roman-ruimtetelescoop, en het Amerikaanse NSF/DOE-consortium achter de Vera C. Rubin Observatory in Chili. In Nederland dragen instituten als Nikhef (Nationaal instituut voor subatomaire fysica) en SRON (Netherlands Institute for Space Research) bij aan zowel deeltjesexperimenten als ruimtetelescoopprojecten.