Natuurkundigen zitten met de handen in het haar: ze vinden maar geen concrete aanwijzingen voor het bestaan van ‘donkere materie’. Sommigen kijken al uit naar nieuwe verklaringen voor de samenstelling van het heelal.
Zitten we er helemaal naast? Zit het heelal anders in elkaar dan we denken? Belangrijke bladen zoals Nature en New Scientist durven de vraag sinds kort hardop te stellen. Onlangs publiceerden ze twijfels over het haalbaarheidsgehalte van het natuurkundig concept ‘donkere materie’. ‘What’s the matter?‘ kopte Nature. ‘De belangrijkste theorie over donkere materie kan zich nergens meer verstoppen.’ De tekst ventileerde de frustratie van veel natuurkundigen over het feit dat ze geen greep krijgen op die dekselse donkere materie, en nog minder op haar geheimzinnige broertje ‘donkere energie’.
New Scientist noemt donkere materie ‘een onmogelijke droom’. Het blad maant natuurkundigen aan om een grote stap terug te zetten en de zaken van een afstand te herbekijken. De kosmologie zit in een impasse. Dan doe je er goed aan om de gangbare visies opzij te schuiven en te kijken of er alternatieven bestaan die een minstens even goede verklaring bieden voor de waarnemingen. Heel opvallend: door de impasse worden aanvankelijk als ketterij bestempelde theorieën, zoals een alternatieve invulling van de zwaartekracht, ineens ernstiger genomen.
Waar draait het allemaal om? In 1933 publiceerde de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky waarnemingen over de snelheid van sterrenstelsels, die alleen verklaard konden worden door de veronderstelling dat er in de ruimte veel meer materie aanwezig is dan wij kunnen zien. Uit zijn metingen bleek onder meer dat sterrenstelsels door de snelheid waarmee ze om hun as draaien uit elkaar zouden vliegen als er geen ‘donkere materie’ bestond die ze bij elkaar hield. Pas in de jaren 1970 konden die eerste observaties met meer studies onderbouwd worden. Zo kreeg donkere materie geleidelijk de status van een ‘feit’, hoewel niemand er ooit iets van gezien heeft.
Natuurkundigen gaan ervan uit dat er voor elke gram zichtbare materie in het heelal ongeveer vijf gram onzichtbare materie bestaat. Die reageert wel op zwaartekracht, maar niet op licht. Daardoor kun je ze niet zien, en kun je haar aanwezigheid alleen afleiden uit de impact die ze heeft op de bewegingen van hemellichamen. De donkere kant heeft evenmin een lading, zodat hij niet rechtstreeks met andere deeltjes interageert. Van de materie in het heelal zou amper 15 à 20 procent zichtbaar zijn. In het algemeen zou gewone materie ongeveer 5 procent van ons universum vormen, donkere materie 27 procent, en de overige 68 procent zou uit donkere energie bestaan. Ook die is nog nooit waargenomen.
Te licht of te zwaar
De frustratie en de twijfels onder wetenschappers hebben alles te maken met het feit dat intense zoektochten naar donkere materie tot dusver volstrekt niets hebben opgeleverd. Er is geen enkel deeltje opgevangen, zelfs niet in de krachtigste deeltjesversnellers, dat een drager van donkere materie zou kunnen zijn. Eén probleem is dat natuurkundigen niet weten waar ze naar moeten zoeken – zelfs gesofisticeerde computersimulaties helpen de zoektocht niet vooruit. En als je niet weet waar te zoeken, moet je alle opties openhouden. Bestaat donkere materie uit een relatief klein aantal zware deeltjes, of uit een massa superlichte? Niemand die het weet. Sommige natuurkundigen gaan ervan uit dat de deeltjes tot 10 miljard keer lichter zijn dan elektronen (dat zijn de lichtste onderdelen van atomen). Dat zou betekenen dat ze in deeltjesversnellers gewoon door de deeltjes heen vliegen waar onderzoekers ze mee bombarderen, waardoor de kans op een botsing en een zichtbare reactie bijna nihil is. Anderen zeggen dat ze zo zwaar zijn dat we ze niet kúnnen vinden, omdat we nooit voldoende energie voor een detectie kunnen vrijmaken.
Het mag duidelijk zijn dat donkeremateriedeeltjes niet passen in het standaardmodel van de natuurkunde, dat uitmunt in het verklaren van wat we kunnen zien. Dat standaardmodel bevat een reeks bizarre deeltjes, dus is er geen reden om aan te nemen dat het in de donkere materie eenvoudiger zal zijn. Nochtans hebben natuurkundigen geen optie onbenut gelaten in hun queeste. Science rapporteerde dat een intensieve zoektocht in de gegevensbank van tientallen gps-satellieten geen spoor van donkere materie opleverde. Physical Review D liet weten dat een speurtocht in de gammastraling van het heelal met een voor dat doel gebouwde satelliet evenmin iets opleverde. Nature vatte de vruchteloze zoektocht naar donkeremateriedeeltjes in deeltjesversnellers samen onder de kop: ‘Donkere materie blijft ongrijpbaar’.
Fysicus Thomas Hertog van de KU Leuven voelt de animositeit. ‘Het moreel van de mensen in het Zwitserse CERN, waar met de krachtigste deeltjesversneller ter wereld wordt gewerkt, zit onder nul’, vertelt hij. ‘Vorig jaar waren er wat veelbelovende aanwijzingen voor totaal nieuwe deeltjes, maar daar blijft niets van over. Men is nu zelfs bang dat er met deeltjesversnellers niets fundamenteel nieuws meer gevonden zal worden. Mijn gevoel is nog altijd dat donkere materie bestaat, maar dat het om heel zware deeltjes gaat die we mogelijk nooit met deeltjesversnellers zullen kunnen vangen. Misschien is het gouden tijdperk van de dure deeltjesversneller voorbij, en zullen we naar het heelal zelf moeten kijken om antwoorden te vinden – zo hebben we ook de aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie gevonden. De ruimte is eigenlijk één grote deeltjesversneller, van een niveau dat wij op aarde nooit zullen kunnen nabouwen. Maar als donkere deeltjes echt uitsluitend via de zwaartekracht met zichtbare materie interageren, is er niets wat garandeert dat we ze ooit zullen vinden. Wat niet belet dat je als wetenschapper naïef optimistisch moet blijven en moet blijven zoeken.’
De tijd is rijp voor hypercreatieve denkers om met verdedigbare alternatieven op de proppen te komen. Vorig jaar stond de wereld van de kosmologie op zijn kop omdat wetenschappers voor het eerst een ander obscuur gegeven hadden waargenomen: zwaartekrachtstralen. Er werd geopperd dat er mogelijk een link was met donkere materie, want de waargenomen stralen waren afkomstig van zwarte gaten met een massa die niet verklaard kan worden door het feit dat ze het eindresultaat zouden zijn van stervende sterren – dat is het klassieke patroon voor het ontstaan van een zwart gat. Het vakblad Physical Review Letters lanceerde vorige zomer het idee dat het heelal zou barsten van de onzichtbare zwarte gaten – meer dan er sterren zouden zijn. Hun gezamenlijke massa zou de missende donkere materie zijn. Vooralsnog krijgt het idee het voordeel van de twijfel, maar echt ernstig wordt het nog niet genomen.
Een bal die wegvliegt
Helemaal out-of-the-box is het denkwerk van de Nederlandse natuurkundige Erik Verlinde van de Universiteit van Amsterdam. Hij heeft een theorie ontwikkeld – volgens critici is het niet eens een theorie, maar een ‘verhaal’ dat zelfs moeilijk in een wiskundige vorm te gieten is – waarin het concept ‘donkere materie’ niet meer nodig is om de werking van het heelal te verklaren. ‘Ik ben er ondertussen van overtuigd dat we geen donkeremateriedeeltjes zullen vinden’, vertelt Verlinde. ‘Maar het grootste deel van de rest van de natuurkundige wereld zal nog wat tijd nodig hebben om die stap te zetten. En mijn critici zullen koppig weerstand blijven bieden tegen mijn idee. Dat is niet erg, dat is hoe wetenschap functioneert en vooruitgang boekt. Albert Einstein heeft ook meer dan tien jaar aan zijn relativiteitstheorie gewerkt, dat zal met mijn verhaal niet minder zijn.’
De referentie naar Einstein is niet zomaar gekozen, want Verlinde geeft een totaal andere invulling aan het concept ‘zwaartekracht’ dan Einstein (en diens voorganger Isaac Newton). Hij gaat er namelijk van uit dat zwaartekracht niet bestaat op het niveau van het allerkleinste, maar zich net als temperatuur en druk pas manifesteert op macroscopische schaal. Waarmee ook het probleem van de onverenigbaarheid van de zwaartekracht met de kwantumfysica (de fysica van het allerkleinste) opgelost is, want de zwaartekracht zou op dat niveau niet bestaan.
Voor zijn alternatief voor de donkere materie doet Verlinde wel een beroep op de kwantumwereld, namelijk de verstrengeling van twee deeltjes. Het is een bizar concept waarbij, bijvoorbeeld, een deeltje op de aarde onlosmakelijk verbonden is met een deeltje op de maan. Het wijzigen van het ene heeft ogenblikkelijk een invloed op het andere. Volgens Verlinde zou de onzichtbare band tussen de massa koppeltjes van deeltjes in het heelal fungeren als een soort lijm, die hetzelfde effect heeft als donkere energie. ‘Het is alsof donkere energie zich als een elastisch medium gedraagt’, legt hij uit. ‘Materie die daarin terechtkomt, zal dat medium vervormen, waardoor we effecten krijgen die nu aan donkere materie worden toegeschreven. We hebben dus geen donkere materie in ons verklaringsmodel meer nodig, alleen donkere energie.’
Thomas Hertog van de KU Leuven is voorlopig niet erg onder de indruk van het verhaal. ‘Het is een interessante denkoefening die een andere kijk geeft op donkere materie en donkere energie, maar daarmee zijn we er nog niet’, zegt hij. ‘Het is lang niet zo elegant als het E=mc2 van Einstein. Het is wel zo dat de zwaartekracht van Newton en Einstein heel nauwkeurig is op het niveau van ons zonnestelsel en zelfs onze Melkweg, maar op grotere schaal is er geen rechtstreekse test voorhanden. Daar begeven we ons op het niveau waarvoor we donkere materie nodig hebben om de waarnemingen te verklaren. Op nóg grotere schaal – de schaal van het allergrootste van het waarneembare heelal – begeven we ons op het terrein van de donkere energie.’
Een zootje
Het concept ‘donkere energie’ dook op in 1998, toen kosmologen vaststelden dat de snelheid waarmee ons heelal uitdijt – een proces dat begon met de Grote Oerknal – toeneemt met de tijd. Dat is ook een contra-intuïtief gegeven, alsof je een bal omhoog gooit die niet terug naar beneden valt maar steeds verder van je wegvliegt met een steeds hogere snelheid. Er moet dus een kracht in de ruimte zitten die de zwaartekracht compenseert en bewegende objecten extra energie geeft. De vraag naar de aard van die donkere energie is relevant voor de toekomst van het heelal. Als ze constant blijft, zal het heelal altijd groter worden, zodat onze héél verre nazaten op de aarde amper nog sterren in de hemel zullen zien. Als de donkere energie geleidelijk aan kracht verliest, zal de uitdijing van het heelal ooit stoppen en zal het weer krimpen en uiteindelijk in elkaar klappen.
Zelfs Verlinde worstelt wat met donkere energie, hoewel ze fundamenteel is voor het idee dat hij ontwikkelt: ‘Er is sowieso veel meer energie in het heelal dan we kunnen waarnemen, maar ze is nog mysterieuzer dan donkere materie, omdat we er niet over kunnen nadenken in termen van deeltjes. We moeten op een heel andere manier gaan nadenken over de ruimte en wat daarin aanwezig is. We moeten onze taal veranderen, niet langer spreken over deeltjes in een lege ruimte maar over informatie die vervat zit in verstrengelde deeltjes en het effect daarvan. We moeten een heel nieuw concept over het heelal omarmen.’
De kracht van een theorie schuilt uiteraard in de mate waarin ze met concrete informatie in de praktijk kan worden gebracht. Het Europees Ruimteagentschap (ESA) bouwt aan de ruimtetelescoop Euclides. Die moet in 2020 gelanceerd worden om sterrenstelsels tot 10 miljard lichtjaar van ons verwijderd in kaart te brengen. De studie daarvan zou eigenschappen van de donkere energie aan het licht moeten brengen. Dichterbij brengen wetenschappers de eerste inzichten aan die aansluiten bij de nieuwe theorie van Erik Verlinde. Sterrenkundige Margot Brouwer van de universiteit in het Nederlandse Leiden publiceerde met een aantal collega’s in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society waarnemingen over de verspreiding van 30.000 sterrenstelsels in het heelal, die verklaard kunnen worden door de donkeredeeltjesloze theorie van Verlinde.
Maar dat betekent niet dat Brouwer gewonnen is voor Verlindes verhaal. ‘Ik vind het te vroeg om te aanvaarden dat donkere materie niet bestaat’, zegt ze. ‘Er zijn nog altijd goede redenen om aan te nemen dat ze er wél is. En er zijn essentiële waarnemingen die helemaal niet verklaard kunnen worden door het idee van Verlinde.’ Ze nuanceert ook haar eigen resultaten: ‘We moesten ons voor ons werk beperken tot geïsoleerde en sferische systemen in het heelal, anders zou het nooit in het theoretisch kader van Erik Verlinde kunnen passen. Maar het heelal zit niet zo netjes in elkaar als theoretici het graag zouden hebben. Het is een behoorlijk zootje, en ook dat moet verklaard worden.’
Toch hoopt ze dat de zoektocht uiteindelijk in de richting van een heelal zonder donkere materie zal gaan: ‘De zoektocht naar donkere materie is niet meer dan een zoektocht naar nieuwe deeltjes. Dat verandert weinig aan het fundament van ons huidige inzicht in de werking van het heelal. Ik zou het mooier vinden mochten we het heelal kunnen beschrijven zonder donkere materie. Dat zou betekenen dat we een heel andere kijk krijgen op zwaartekracht, ruimte, tijd en de vraag hoe het heelal in elkaar zit. Iets fundamenteel nieuws is voor een wetenschapper altijd veel boeiender dan iets wat gewoon wat meer van hetzelfde is.’
Door DIRK DRAULANS
‘Misschien is de gouden tijd van de dure deeltjesversneller voorbij.’
Als ketterij bestempelde theorieën worden plots ernstiger genomen.
