Zelfs met de gevoeligste en meest geavanceerde instrumenten kunnen we deze ongrijpbare ‘stof’ nog steeds niet detecteren.
Volgens astrofysici bestaat het heelal voor het grootste deel uit zogeheten donkere materie. Weliswaar kunnen we die ‘stof’ vooralsnog niet direct waarnemen, maar uit allerlei fenomenen leiden we af dat ze moet bestaan. Donkere materie is op zich eigenlijk een van de simpelste concepten in de natuurkunde. Dat het ons toch voor grote raadsels stelt is te wijten aan ons menselijke perspectief. Ieder mens is uitgerust met vijf zintuigen, die stuk voor stuk teruggaan op elektromagnetische interacties.
Materie hoeft niet te bestaan uit atomen. Het is mogelijk dat de meeste materie is opgebouwd uit iets totaal anders
Ons gezichtsvermogen, bijvoorbeeld, danken we aan onze gevoeligheid voor licht, d.w.z. elektromagnetische golven die binnen een bepaald spectrum van frequenties liggen. We kunnen ‘gewone’ materie zien doordat de atomen waaruit zij bestaat licht uitzenden of absorberen. Het is dankzij de elektrische ladingen van de elektronen die een atoomkern omringen dat we kunnen zien.
Materie hoeft echter niet noodzakelijkerwijs te bestaan uit atomen. Het is heel wel mogelijk dat de meeste materie is opgebouwd uit iets totaal anders. Materie is elke substantie die, net als gewone materie, interacties aangaat met de zwaartekracht – en als gevolg daarvan bijvoorbeeld samenklontert tot sterrenstelsels of clusters van sterrenstelsels. Er is geen enkele reden waarom materie altijd zou moeten bestaan uit deeltjes met een elektrische lading.
Maar materie die geen elektromagnetische interacties vertoont is onzichtbaar voor onze ogen. Donkere materie heeft geen elektromagnetische lading (tenzij misschien een lading die zo klein is dat we haar tot op heden niet hebben kunnen detecteren). Niemand heeft deze materie ooit direct met eigen ogen gezien, en ook niet met behulp van de meest gevoelige optische instrumenten. Toch zijn we ervan overtuigd dat donkere materie bestaat, op grond van de talrijke gravitationele effecten die zij uitoefent.
Om een paar voorbeelden te noemen: donkere materie beïnvloedt de bewegingen van de sterren in ons melkwegstelsel (ze razen rond met zulke hoge snelheden dat de zwaartekracht van de gewone materie ontoereikend zou zijn om ze in hun baan te houden); zij beïnvloedt de bewegingen van sterrenstelsels binnen een cluster van sterrenstelsels (wederom, te snel om uitsluitend verklaard te kunnen worden op grond van de zichtbare materie); zij heeft sporen achtergelaten in de kosmische achtergrondstraling die is overgebleven uit de tijd van de oerknal; zij heeft invloed op de banen van zichtbare materie die vrijkomt bij een supernova; het fenomeen van de gravitatielenzen, waarbij licht wordt afgebogen door het zwaartekrachtveld rondom bv. een ster, een sterrenstelsel of een zwart gat; en het feit dat in samensmeltende clusters van sterrenstelsels zichtbare en onzichtbare materie zich van elkaar losmaken.
Afgezien van al die fenomenen is misschien wel de voornaamste aanwijzing voor het bestaan van donkere materie het feit dat wij bestaan. Donkere materie mag dan onzichtbaar zijn, dat neemt niet weg dat zij een cruciale rol heeft gespeeld in de evolutie van ons heelal en in het ontstaan van sterren, planeten en zelfs het leven. Dat komt doordat donkere materie vijf keer zoveel massa vertegenwoordigt als gewone materie en bovendien niet direct interageert met licht.
Die twee eigenschappen waren doorslaggevend voor de vorming van structuren als sterrenstelsels – binnen het (relatief korte) tijdsbestek van de gemiddelde levensduur van een sterrenstelsel – en meer in het bijzonder van een sterrenstelsel met de omvang van onze Melkweg. Als er geen donkere materie was geweest, zou de kosmische straling het samenklonteren tot een galactische structuur te lang hebben verhinderd. De straling zou zulke structuren in feite hebben uitgewist en het heelal zou homogeen en rimpelloos gebleven zijn. Dat het sterrenstelsel dat onderdak biedt aan ons zonnestelsel en ons leven mogelijk maakt kon ontstaan in de tijdspanne tussen de oerknal en het heden is te danken aan de aanwezigheid van donkere materie.
Als mensen voor het eerst kennismaken met het concept ‘donkere materie’, ervaren ze vaak een gevoel van verbijstering. Hoe kan iets dat we niet kunnen zien toch bestaan? Sinds de dagen van Copernicus, die ontdekte dat niet de aarde maar de zon het middelpunt is van ons zonnestelsel, zouden we eigenlijk langzamerhand gewend moeten zijn aan het idee dat de mens geen centrale plaats inneemt in het universum. Maar telkens wanneer we in een nieuwe context met die notie worden geconfronteerd, zijn er altijd nog mensen die ervan opkijken of in de war raken. Maar objectief beschouwd is er geen enkele reden waarom zichtbare materie de enige vorm van materie zou moeten zijn die er bestaat. Sterker nog, het ligt in de lijn der verwachtingen dat er zoiets als donkere materie bestaat en het is ook in overeenstemming met alles wat we weten.
De verwarring is misschien deels het gevolg van de naam. We zouden donkere materie eigenlijk beter doorzichtige materie kunnen noemen, want licht gaat er gewoon dwars doorheen, net als bij andere transparante substanties. De aard van de donkere materie is echter allesbehalve transparant. Natuur- en sterrenkundigen zouden graag op een meer fundamenteel niveau begrijpen wat donkere materie nu eigenlijk is. Is het opgebouwd uit een nog onbekend type elementaire deeltjes, of bestaat het uit een onzichtbaar, compact object, zoals een zwart gat? En als het uit deeltjes bestaat, hebben die dan op de een of andere manier (weliswaar uiterst zwakke) interacties met gewone materie, afgezien van interacties via de zwaartekracht? Hebben die deeltjes misschien interacties met zichzelf die zich onttrekken aan waarneming door onze zintuigen? Is er meer dan één type van die deeltjes? Vertoont enig type van die deeltjes überhaupt de een of andere vorm van interacties?
In de loop van mijn carrière als theoretisch natuurkundige heb ik een aantal interessante mogelijkheden bedacht. Maar uiteindelijk kunnen we over de ware aard van donkere materie alleen meer te weten komen met behulp van verdere waarnemingen die ons de weg kunnen wijzen. Die waarnemingen zouden bijvoorbeeld de vorm kunnen aannemen van nauwkeurigere metingen van de zwaartekrachtseffecten van donkere materie. Of – als we de mazzel hebben dat donkere materie toch heel zwakke niet-gravitationele interacties aangaat met gewone materie die we tot op heden niet hebben kunnen waarnemen – kunnen grote ondergrondse detectoren, satellieten in de ruimte of de Large Hadron Collider van CERN bij Genève in de toekomst wellicht deeltjes donkere materie detecteren.
Maar ook als donkere materie niet zulke interacties met gewone materie heeft, zouden interacties van donkere materie met zichzelf ook waarneembare effecten kunnen hebben. Om een voorbeeld te noemen: als interacties van donkere materie met zichzelf ertoe leiden dat de materie in het centrum van een sterrenstelsel op een andere manier wordt geordend, zal de inwendige structuur van sterrenstelsels er op kleine schalen anders uitzien. Compacte structuren of structuren die lijken op de Melkweg, zoals de heldere gaswolken en sterren die we aan de nachtelijke hemel zien, zouden kunnen duiden op het bestaan van een of meer typen donkere-materiedeeltjes die met elkaar interageren. Ook is het denkbaar dat we – in het laboratorium of in de ruimte – hypothetische deeltjes, axionen genaamd, die interageren met magnetische velden kunnen detecteren.
Donkere materie is een veelbelovend onderzoeksobject, niet alleen voor theoretici, maar ook voor wetenschappers die waarnemingen doen of experimenten uitvoeren. We weten dat het bestaat, maar we weten nog niet precies wat het is op een fundamenteel niveau. Hoe het komt dat we dat niet weten zal langzamerhand wel duidelijk zijn: het is gewoon niet interactief genoeg om ons wijzer te maken, althans voor zover we nu weten. Als de gewone materie ons alleen kan vertellen dat donkere materie bestaat, maar er verder nauwelijks op reageert, hebben wij mensen slechts beperkte mogelijkheden om verder te komen. Maar als donkere materie toch een aantal interessantere eigenschappen mocht hebben, staan de onderzoekers in de startblokken om die te ontdekken en ons in staat te stellen dit wonderbaarlijke mysterie beter te begrijpen.
