Uw profiel is aangemaakt

U heeft een e-mail ontvangen met een activatielink. Vergeet niet binnen 24 uur uw profiel te activeren. Veel leesplezier!

Donkere materie is zeker aanwezig in het heelal, maar niet overal

Home

Willem Schoonen

Sterrenstelsel NGC 1052-DF2 (links) staat op grote afstand van de aarde, op 65 miljoen lichtjaren. Een van de sterrenclusters in dit stelsel is rechts uitvergroot. Sterrenkundigen meten de golflengten van het licht van zo'n cluster en kunnen daarin zien dat het zich van ons verwijdert met een snelheid van meer dan 1800 kilometer per seconde (onderin links) en dat het met 2 kilometer per seconde beweegt ten opzichte van de rest van het stelsel (onderin rechts). Uit die snelheden is de samenstelling van het sterrenstelsel af te leiden, en die blijkt uniek: dit is de eerste waarneming van een sterrenstelsel dat geen donkere materie bevat, maar alleen alledaags sterrenstof. © -

Na decennia van scepsis kreeg de twijfel aan het bestaan van donkere materie deze week de nekslag. Het bewijs wordt geleverd door een sterrenstelsel waarin het ontbreekt.

Sterrenkundigen breken zich al decennia het hoofd over de donkere materie. Geen idee wat die materie is, maar ze móet er zijn. Anders valt de waargenomen beweging in sterrenstelsels niet te verklaren. De theoretisch natuurkundigen die puzzelen op een antwoord, werden deze week echter verrast door de waarneming van een sterrenstelsel dat géén donkere materie bevat. Pardon? Gaat het hele idee van die donkere materie nu alsnog van tafel?

Lees verder na de advertentie

Integendeel, zegt Pieter van Dokkum, die verantwoordelijk is voor deze ontdekking. Van Dokkum, sterrenkundige geworden in Groningen en nu werkzaam aan Yale University in de VS, leidt een team van onderzoekers dat deze week in vakblad Nature verslag deed van zijn opmerkelijke waarneming. NGC 1052-DF2 is de naam van het waargenomen object: een sterrenstelsel op 65 miljoen lichtjaar van de aarde. Het licht van dat stelsel heeft er dus 65 miljoen jaar gedaan om de lenzen van Van Dokkum en zijn collega's te bereiken. En het geeft bovendien weinig licht, het is een vaag sterrenstelsel.

Snelheid

Het is op de foto te zien. Links is het sterrenstelsel. En rechts staat een detail: een behoorlijk felle cluster van sterren in dat stelsel. Onderin dat beeld staat het lichtspectrum dat wordt waargenomen. Uit de golflengte van dat licht kunnen sterrenkundigen afleiden hoe snel zo'n sterrencluster beweegt. Deze cluster vliegt bij ons weg met een snelheid van meer dan 1800 kilometer per seconde. Dat heeft vooral te maken met de uitdijing van het heelal; alles wat we aan de sterrenhemel zien beweegt van ons vandaan. Uit de golflengte van het licht is echter ook af te lezen dat de sterrenclusters in dit stelsel ten opzichte van elkaar een snelheid hebben van 2 kilometer per seconde.

Veertig jaar geleden begin het mysterieuze verhaal over donkere materie

Die snelheden zijn prima te verklaren met de hoeveelheid gewone materie die in dit sterrenstelsel wordt waargenomen, zegt Van Dokkum. En dat is opmerkelijk. Want het waren precies dit soort snelheidsmetingen waarmee veertig jaar geleden het verhaal over die mysterieuze donkere materie begon. Toen werd ontdekt dat aan de rand van sterrenstelsels snelheden werden bereikt die niet mogelijk zouden moeten zijn.

Alle materie trekt elkaar aan, ook de onderdelen van een sterrenstelsel zoals onze Melkweg. Ze oefenen op elkaar zwaartekracht uit. Dat ze ondanks die zwaartekracht niet op elkaar klappen, komt doordat de onderdelen van een sterrenstelsel, de sterren en planeten, ronddraaien. De zwaartekracht trekt naar binnen, het ronddraaien duwt naar buiten, als in een draaimolen. Wordt die draaisnelheid echter te groot, dan kan de zwaartekracht het niet aan, en worden hemellichamen naar buiten geslingerd. In principe.

Meer dan je ziet

Maar dat is niet wat sterrenkundigen zagen. Aan de randen van sterrenstelsels deden zich wel hoge snelheden voor, maar alles bleef keurig in zijn baan. Dat konden ze alleen verklaren door aan te nemen dat er in die sterrenstelsels meer materie aanwezig moest zijn dan ze konden waarnemen. Donkere materie. En niet zo'n klein beetje ook; er moet in het heelal ongeveer zes keer meer donkere materie zitten dan de alledaagse materie die wij kunnen zien.

De wetenschapper die hiervoor een sluitende verklaring zoekt, kan twee kanten op: hij gaat uitzoeken wat de aard van die donkere materie is, of hij gaat naar de tekentafel om te zien of zijn zwaartekrachttheorie wel klopt. Verreweg de meeste natuurkundigen zijn de eerste weg gegaan. En nu duikt er ineens een sterrenstelsel op dat bijeen blijft zónder donkere materie. Hebben die natuurkundigen de verkeerde afslag genomen?

"Nee", zegt Van Dokkum. "Deze waarneming laat juist zien dat de andere afslag de verkeerde is geweest. Dit sterrenstelsel bewijst dat donkere materie bestaat, juist omdat het die niet heeft. Dat klinkt paradoxaal, maar de redenering is als volgt. Sommige wetenschappers zijn ervan uitgegaan dat donkere materie niet werkelijk bestaat, maar een schijneffect is, een gevolg van een gebrek in de zwaartekrachttheorie. In het heelal, waar de afstanden tussen objecten enorm groot kunnen zijn, werkt de zwaartekracht misschien wel heel anders dan wij denken. Dat is hun aanname. Die wetenschappers, onder wie Erik Verlinde in Nederland, zijn gaan sleutelen aan de theorie van de zwaartekracht. Maar als je dat doet, heeft dat gevolgen voor het hele universum. Uitzonderingen op de zwaartekracht kun je niet hebben."

Er is geen reden om te sleutelen aan de zwaar­te­kracht­the­o­rie. En er is geen reden om twijfelen aan het bestaan van donkere materie

Pieter van Dokkum, sterrenkundige

"Dit sterrenstelsel zónder donkere materie laat zien dat die weg niet de juiste is. Er is geen reden om te sleutelen aan de zwaartekrachttheorie. En er is geen reden om twijfelen aan het bestaan van donkere materie."

Theorie overboord

Daar is geen speld tussen te krijgen, zij het dat die donkere materie nu nog mysterieuzer wordt dan ze al was. Want ook Van Dokkum kan niet verklaren hoe dit sterrenstelsel is ontstaan. "Inderdaad. Het past in geen enkele theorie. Het verhaal van sterrenstelsels begint altijd met donkere materie. In de omstandigheden van het vroege heelal kon de materie die wij kennen niet voorkomen. Er moet eerst donkere materie zijn geweest, die ervoor heeft gezorgd dat waterstof werd gevormd, de eerste gewone materie, en dat daarna sterren konden ontstaan. Donkere materie is het skelet waarop de rest is gebouwd."

Dat er nu een sterrenstelsel opduikt zonder skelet, is hoogst merkwaardig. Blijkbaar zijn donkere en gewone materie, de botten en het vlees, niet gelijkelijk verdeeld geraakt in het heelal, en komen er in het universum ook plekken voor met alleen vlees, of alleen botten.

Uniek of niet

Het haalt het bestaan van de donkere materie niet onderuit, zegt Van Dokkum, maar kan wel iets zeggen over haar aard. "Het kan zijn dat een sterrenstelsel als dit is gevormd kort na het ontstaan van het heelal, en dat er toen een verscheidenheid aan donkere materie is geweest waarmee we nog geen rekening hebben gehouden." Een ander idee is dat dit sterrenstelsel door een klap is weggeschoten uit een ander, groter sterrenstelsel, zonder meenemen van de donkere materie.

Om hier zicht op te krijgen hopen Van Dokkum en collega's meer van dit soort sterrenstelsels te vinden. Ze hebben een paar kandidaten op het oog. "Als die van dezelfde soort blijken te zijn, kan ons dat meer vertellen over de aard van dit soort sterrenstelsels en van de donkere materie. Maar misschien is dit sterrenstelsel het enige in zijn soort. Die ene is echter genoeg om te bewijzen dat donkere materie bestaat."

Lees ook: 'Het heelal is niet voor ons gemaakt' over natuurkundige Lawrence Krauss die beweert dat de wereld zoals wij die zien een illusie is.

Deel dit artikel

Veertig jaar geleden begin het mysterieuze verhaal over donkere materie

Er is geen reden om te sleutelen aan de zwaar­te­kracht­the­o­rie. En er is geen reden om twijfelen aan het bestaan van donkere materie

Pieter van Dokkum, sterrenkundige