Wat is donkere materie en waarom kunnen we het niet zien?
Je kijkt door je telescoop, ziet de Orionnevel en vraagt je af wat er allemaal speelt in het heelal.
Astronomen weten veel, maar er is een groot mysterie: donkere materie. Het is er, maar we kunnen het niet zien. Toch bepaalt het hoe sterrenstelsels draaien en groeien.
Wat is donkere materie eigenlijk?
Donkere materie is materiaal dat geen licht geeft en geen licht absorbeert.
Het reageert niet met zichtbaar licht, radiostraling of röntgenstralen. Het is onzichtbaar voor elke telescoop die licht gebruikt, van een kleine SkyWatcher 130/650 tot een reus als de James Webb-ruimtetelescoop.
Toch is het er wel, want het heeft zwaartekracht. Het is een soort onzichtbare lijm. Het houdt sterrenstelsels bij elkaar en geeft ze extra massa. Zonder donkere materie zouden veel sterrenstelsels uit elkaar vliegen.
De materie is koud en beweegt traag, en dat is precies wat nodig is om sterrenstelselvorming te verklaren.
Hoeveel is er? Ongeveer 85% van alle materie in het heelal is donkere materie. Normale materie, zoals sterren, gas en planeten, is maar 15%.
In de Melkweg is de verhouding zelfs ongeveer 5 tot 1. Dat betekent dat er vijf keer meer donkere materie is dan zichtbare materie.
Waarom zien we het niet?
Donkere materie geeft geen licht, omdat het niet samenwerkt met elektromagnetische krachten. Het heeft alleen massa en zwaartekracht.
Daarom reageert het niet op telescopen die licht meten, zoals optische telescopen of röntgendetectors.
Het is alsof je een wind probeert te zien die je alleen voelt, niet ziet. We ontdekken het indirect. Door de snelheid van sterren te meten in een sterrenstelsel zien we dat ze te snel draaien.
Zonder extra massa zouden ze uit het stelsel worden geslingerd. Bijvoorbeeld: in de Melkweg draaien sterren aan de buitenkant even snel als sterren dichter bij het centrum.
Dat klopt niet zonder een enorme halo van donkere materie eromheen. Een andere aanwijzing is de zwaartekrachtlens. Licht van verre sterrenstelsels buigt om dichtere massa heen. Die lens-effecten zijn sterker dan alleen zichtbare materie kan verklaren.
Met telescopen zoals de Hubble en James Webb meten we die buiging precies.
Het beeld wordt vervormd en helderder op specifieke plekken, wat wijst op extra massa die we niet zien. Ook bij botsingen van clusters zien we donkere materie. De zichtbare gaswolken botsen en vertragen, maar de donkere materie gaat door.
Röntgendetectors zien het hete gas, maar de massa zit verder verspreid. Die verdeling laat zien dat de onzichtbare component het stelsel bij elkaar houdt.
Hoe weten we zoveel? Methoden en waarnemingen
Astronomen combineren verschillende metingen om donkere materie in kaart te brengen. Ze kijken naar rotatiecurven van sterrenstelsels, zwaartekrachtlens-effecten en hoe we verre werelden rond andere sterren ontdekken. Ook de kosmische achtergrondstraling speelt hierbij een rol.
Met die gegevens maken ze modellen die laten zien hoe massa verdeeld is. De modellen kloppen goed, maar er blijven vragen over. Rotatiecurven zijn een klassieke aanpak. Met radiotelescopen zoals de Very Large Array (VLA) meten ze waterstoflijnen in sterrenstelsels.
Die lijnen laten zien hoe snel gas draait. Bij kleine telescopen zoals een SkyWatcher 6-inch Dobson zie je sterren, maar de snelheden meet je met gespecialiseerde apparatuur.
De data laten zien dat de massa verder reikt dan het zichtbare licht.
Zwaartekrachtlens werkt met verre sterrenstelsels. De James Webb-ruimtetelescoop maakt scherpe beelden van zulke lens-effecten. Je ziet ringen en vervormde vormen, de zogenaamde Einstein-ringen.
Door die vormen en helderheid te analyseren, berekenen hoeveel massa er nodig is. De onzichtbare massa blijkt groot en verspreid.
Kosmische achtergrondstraling, gemeten door satellieten zoals Planck, laat kleine temperatuurschommelingen zien. Die schommelingen hangen samen met hoe materie in het vroege heelal verdeeld was. Donkere materie beïnvloedt die verdeling, wat ons ook doet afvragen waarom de nachthemel donker is.
De combinatie van die metingen geeft een stevig beeld van hoe donkere materie het heelal vormt.
Daarnaast zijn er experimenten op aarde die proberen donkere materie direct te detecteren. Ze zoeken naar botsingen met atoomkernen in diep ondergrondse detectoren.
Tot nu toe is er geen direct signaal gevonden. De zoektocht gaat door met steeds gevoeligere apparaten.
Modellen en theorieën: wat zijn de opties?
De meest geaccepteerde theorie is koude donkere materie, afgekort CDM. Het gaat om deeltjes die traag bewegen en geen elektrische lading hebben. Bekende voorbeelden zijn axionen en WIMPs.
Die deeltjes zouden in labs op aarde gezocht kunnen worden, maar ze zijn nog niet gevonden.
Een alternatief is warme donkere materie, zoals steriele neutrino’s. Die bewegen iets sneller en zouden kleine sterrenstelsels anders vormen dan koude modellen voorspellen.
Sommige waarnemingen van dwergsterrenstelsels lijken warme modellen te steunen, maar het beeld is niet sluitend. Er zijn ook modellen zonder nieuwe deeltjes, zoals Modified Newtonian Dynamics (MOND). Die passen de zwaartekracht aan in plaats van extra massa toe te voegen.
MOND verklaart rotatiecurves van sterrenstelsels goed, maar heeft moeite met clusters en lens-effecten.
De meeste astronomen geven de voorkeur aan donkere materie, maar MOND blijft een interessante afwijkende theorie. Prijzen voor meetapparatuur hangen af van je niveau. Een basistelescoop voor sterrenstelsels, zoals een SkyWatcher 150/750 Dobson, kost rond €400–€600. Een spectrograaf voor rotatiemetingen, zoals een Star Analyzer, ligt rond €150–€300. Professionele detectoren voor donkere materie-experimenten kosten miljoenen, maar die zie je vooral in onderzoeksinstituten.
Praktische tips voor sterrenkijkers
Je kunt donkere materie niet zien, maar je kunt wel het effect ervan waarnemen. Zoek naar sterrenstelsels met een stabiele telescoop en een goed oculair. Een 10 mm of 15 mm oculair geeft een mooi overzicht.
Probeer sterrenstelsels zoals M31 (Andromeda) en M51 te bekijken. Je ziet de heldere kern en de armen, maar ons eigen sterrenstelsel van buitenaf bekeken heeft een vergelijkbare structuur, al reikt de massa veel verder.
Gebruik een telescoop met een stabiele montage. Een Dobson van 8 inch (200 mm) geeft veel lichtverzameling voor een redelijke prijs, rond €600–€800.
Met een camera zoals een ZWO ASI120MC kun je rotatie van gas meten via spectrografie. Die camera kost ongeveer €200–€300. Probeer waar te nemen bij heldere, donkere nachten.
Lichtvervuiling vermindert het contrast van verre sterrenstelsels. Zoek een locatie buiten de stad, met een horizon zonder storende lampen.
Neem warme kleding mee, een stoel en een notitieboekje. Noteer wat je ziet en vergelijk dat later met modellen. Leer de basis van rotatiecurves en lens-effecten. Er zijn boeken en online cursussen voor amateurs.
Oefen met het meten van afstanden en helderheid. Met eenvoudige software kun je data plotten en patronen herkennen.
Donkere materie is de onzichtbare kracht die de kosmos bij elkaar houdt. Je ziet het niet, maar je ziet wel wat het doet.
Zo ervaar je hoe donkere materie het heelal vormt, zonder dat je het rechtstreeks ziet.
Als je door je telescoop kijkt, weet je nu dat er meer is dan het zichtbare. Donkere materie is de onzichtbare basis onder elke sterrenhoop en elk sterrenstelsel. Het is een mysterie, maar het is ook een gids die ons helpt begrijpen hoe het heelal in elkaar zit. Met elke waarneming en elk model komen we een stap dichter bij een antwoord.