Wat is donkere materie?

Donkere materie is een onzichtbare vorm van materie die geen licht uitzendt, absorbeert of reflecteert, maar toch een aantrekkingskracht uitoefent op zichtbare structuren zoals sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Het vertegenwoordigt ongeveer 23% van de massa-energie-inhoud van het heelal, vergeleken met 4,6% voor gewone (baryonische) materie en 72% voor donkere energie (NASA/WMAP).

Bewijs voor het bestaan ervan

• Galactische rotatiecurven: Waarnemingen van spiraalstelsels laten zien dat sterren aan de rand ervan met dezelfde snelheid ronddraaien als binnensterren, wat duidt op een halo met verborgen massa (VeraRubin, 1970).
• De dynamiek van sterrenstelselclusters: FritzZwicky's onderzoek uit de jaren dertig van de Coma-cluster onthulde snelheden van sterrenstelsels die ver boven wat zichtbare massa zou kunnen verklaren.
• Heet gas in clusters: Röntgentelescopen (Chandra, XMM-Newton) detecteren enorme hoeveelheden geïoniseerd gas, maar de vereiste zwaartekrachtbinding wijst op extra onzichtbare massa.
• Zwaartekrachtlens: De afbuiging van licht van achtergrondobjecten door massieve clusters levert directe massametingen op die veel groter zijn dan die van lichtgevende materie (bijv. Abell383).

Donkere materie in kaart brengen

Grootschalige simulaties en observationele onderzoeken (bijvoorbeeld CFHT, Hubble) onthullen een kosmisch web van filamenten van donkere materie die sterrenstelsels met elkaar verbinden. Lenskaarten met hoge resolutie tonen de distributie van donkere materie die de zichtbare grootschalige structuur weerspiegelen.

Deeltjeskandidaten

Hoewel gewone materie de vereiste massa niet kan verklaren, worden er verschillende exotische deeltjeskandidaten onderzocht:

• WIMP's (Weakly Interacting Massive Particles): Zware (10–100×protonmassa) maar zwak interacterende deeltjes die zouden kunnen voortkomen uit supersymmetrie.
• Axions: Ultralichte, neutrale deeltjes voorspeld door het Peccei-Quinn-mechanisme.
• Neutralino's en fotino's: Supersymmetrische partners van respectievelijk neutrino's en fotonen.
• Andere MACHO's: Enorme compacte halo-objecten zoals bruine dwergen, zwarte gaten en neutronensterren, hoewel hun overvloed onvoldoende is om alle donkere materie te verklaren.

Experimenten zoals de Large Hadron Collider, de Cryogenic Dark Matter Search (CDMS) en deep-field directe detectiedetectoren blijven naar deze deeltjes zoeken.

Alternatieve theorieën

Sommige wetenschappers stellen aanpassingen aan de zwaartekracht voor in plaats van nieuwe deeltjes:

• MOND (gemodificeerde Newtoniaanse dynamiek): Verandert de tweede wet van Newton bij zeer lage versnellingen.
• TeVeS (Tensor-Vector-Scalaire zwaartekracht): Een relativistische uitbreiding van MOND die lensing kan verklaren.
• Kwantumvacuümpolarisatie: Suggereert dat materie-antimaterie-dipolen in de lege ruimte de zwaartekracht kunnen versterken.

Kosmologische impact

Donkere materie is essentieel voor de vorming van kosmische structuren. De zwaartekrachtsinvloed ervan vormt sterrenstelsels, clusters en het grootschalige web. Het beïnvloedt ook de uitdijingssnelheid van het heelal en zijn uiteindelijke lot – of het nu zal blijven uitdijen, vertragen of opnieuw zal instorten.

Veelgestelde vragen

Waaruit bestaat donkere materie?

De meeste astronomen zijn voorstander van een nieuw elementair deeltje, waarschijnlijk een WIMP, hoewel er nog geen definitieve detectie bestaat.

Wie heeft donkere materie ontdekt?

JanH.Oort (1932) merkte voor het eerst de ontbrekende massa in de Melkweg op; FritzZwicky (1933) bevestigde het in de Coma-cluster.

Hoe werd donkere materie ontdekt?

Door onverwachte vlakke rotatiecurven in spiraalstelsels en hoge snelheden in clusters van sterrenstelsels waar te nemen.

Wat is donkere energie?

Een afzonderlijk fenomeen dat de versnellende uitdijing van het heelal aanstuurt en ongeveer 72% van zijn energiedichtheid uitmaakt.

Waar bevindt zich donkere materie?

Het doordringt de ruimte tussen en binnen sterrenstelsels en vormt uitgebreide halo's die het massabudget domineren.

Verder lezen

Gerelateerde artikelen

• “Quasars illustreren de achtbaanrit van donkere energie” – BBC News
• “De zoektocht naar donkere materie” – Scientific American, 2003
• “Het heelal in kaart brengen” – Scientific American, 1999

Bronnen

• Amos, Jonathan. “Quasars illustreren de achtbaanrit van donkere energie.” BBC News, 13 november 2012.
• CDMS II-samenwerking. "Zoekresultaten voor donkere materie van het CDMS II-experiment." Wetenschap, 26 maart 2010.
• Chandra Kronieken. “De prachtige (en angstaanjagende) donkere kant.” 22 oktober 2003.
• Chandra röntgenobservatorium. “Chandra’s vondst van eenzame halo roept vragen op over donkere materie.” 26 oktober 2004.
• Chandra röntgenobservatorium. “Het donkere materie-mysterie.” 13 mei 2012.
• Clark, Lindsay. “Een lerarenhandleiding voor het universum.” 2000.
• Cline, David. “De zoektocht naar donkere materie.” Wetenschappelijke Amerikaan, 2003.
• Hadhazy, Adam. "Uit de hitlijsten:de grootste kaart van donkere materie in de kosmos." Discover Magazine, 17 juni 2012.
• NASA. “Hubble brengt het kosmische web van ‘klonterige’ donkere materie in 3D in kaart.” 7 januari 2007.
• NASA. “WMAP Kosmologie 101:Waar is het heelal van gemaakt?” 26 september 2012.