Zondag 17/11/2019

Wetenschap

Donkere materie is nog steeds niet gevonden. En dat gaat ook niet gebeuren, zeggen deze wetenschappers

Beeld Erik Smits

De mysterieuze donkere materie in het heelal is na veertig jaar zoeken nog steeds niet gevonden. Niet zo gek, zeggen sommige recalcitrante wetenschappers, want donkere materie bestaat helemaal niet. In plaats daarvan moeten onze ideeën over de zwaartekracht op de schop.

Spoken, zombies en duistere krachten – op 31 oktober komen griezelliefhebbers weer uitgebreid aan hun trekken. Halloween, de avond voorafgaand aan Allerheiligen, is vanuit de Verenigde Staten overgewaaid naar Europa. Ook hier worden komende week horrorfilms vertoond en branden er waxinelichtjes in uitgeholde pompoenen.

Best logisch dat diezelfde 31 oktober een paar jaar geleden is uitgeroepen tot Dark Matter Day. Want donkere materie is al even duister, mysterieus en ongrijpbaar als hekserij en zwarte magie. Wie geen zin meer heeft in het traditionele trick or treat, kan aanstaande donderdag dus wereldwijd ook terecht bij wetenschappelijke lezingen over het grootste raadsel in de moderne kosmologie.

Dat je in het reguliere nieuws niet zo veel hoort over donkere materie, komt misschien wel doordat er zo bitter weinig over bekend is. Wat sterrenkundigen wel menen te weten: de ‘gewone’ materie in het heelal (atomen en moleculen) vormt slechts het zichtbare topje van een gigantische donkere ijsberg. Ruim 80 procent van alle kosmische materie moet uit het mysterieuze onzichtbare spul bestaan. Naar alle waarschijnlijkheid tot nu toe onbekende elementaire deeltjes. Maar dan dus wel heel veel.

Hoe weet je dat iets bestaat als je het niet kunt zien? Vraag dat maar aan een horroradept. Geesten en duivels zie je ook niet, maar ze laten wel hun lugubere sporen achter. Zo is het met de donkere materie ook. Die oefent zwaartekracht uit op zijn omgeving en verraadt op die manier zijn aanwezigheid. Bijvoorbeeld in de buitendelen van spiraalvormige sterrenstelsels zoals onze Melkweg. De sterren en gaswolken daar draaien zo snel rond dat ze zónder de aanwezigheid van donkere materie allang de ruimte in waren geslingerd.

Dat sterrenstelsels aan de buitenkant te snel roteren, werd in de jaren zeventig van de vorige eeuw al ontdekt. Door de Nederlandse radioastronoom Albert Bosma, met de toen gloednieuwe radiotelescoop in Westerbork, en door de Amerikaanse sterrenkundigen Vera Rubin en Kent Ford, met een optische telescoop op de Kitt Peak-sterrenwacht in Arizona.

Er zijn veel meer overtuigende bewijzen voor het bestaan van donkere materie. Overal zie je de zwaartekrachtafdruk van het mysterieuze goedje. Alsof je de aanwezigheid van de geheimzinnige Onzichtbare Man afleidt uit zijn voetafdrukken in het gras, of uit de geplooide lakens van het bed waar hij op heeft gelegen.

Spookmaterie

Maar waar kan die spookmaterie uit bestaan? Wat voor raadselachtige deeltjes zouden zó talrijk kunnen zijn en tegelijkertijd zó ongrijpbaar? Daar hadden natuurkundigen in de jaren tachtig wel een antwoord op. Hun speculatieve theorieën over supersymmetrie – een nieuw fundamenteel principe dat aan de basis van de deeltjesfysica zou liggen – voorspelden het bestaan van Wimps: weakly interacting massive particles. Zware deeltjes die toch nauwelijks wisselwerking met ‘gewone’ materie zouden vertonen.

Zodra theoretici een nieuw deeltje voorspellen, staan experimentatoren klaar om er jacht op te maken, met behulp van zorgvuldig ontworpen instrumenten. Maar hoewel de Wimp-detectoren de afgelopen decennia steeds groter, ingenieuzer en gevoeliger zijn geworden, staan de wetenschappelijke Ghostbusters nog steeds met lege handen. Tot op heden is er nog geen enkel donker deeltje gevonden.

Zal ook niet gebeuren, zo klonk het eind september op een bijzonder congres in Bonn. Waarom niet? Omdat donkere materie helemaal niet bestaat. Tenminste, volgens het merendeel van de aanwezige astronomen en natuurkundigen – vrijwel zonder uitzondering aanhangers van de Mond-theorie. In de collegezaal van het Argelander-instituut voor Astronomie van de plaatselijke universiteit praatten zij elkaar bij over hun eigen visie op het spook van de donkere materie. Het heelal gevuld met ongrijpbare elementaire deeltjes? Dat is volgens de Mondianen een vorm van hardnekkig bijgeloof dat hoognodig plaats moet maken voor een compleet andere verklaring.

Mond staat voor Modified Newtonian Dynamics – zeg maar een aanpassing van de zwaartekrachtwetten van Newton. Het bestaan van donkere materie wordt in de meeste gevallen afgeleid uit de waargenomen zwaartekrachtwerking, zoals de te snelle rotatie van de buitendelen van sterrenstelsels. Maar wat als er nu eens iets mis is met onze ideeën over de zwaartekracht? Dan heb je die enorme hoeveelheden donkere materie misschien helemaal niet nodig. Ziedaar het basisidee van Mond.

Einstein

Op zichzelf geen gek idee. Afwijkende bewegingen kunnen op twee manieren ontstaan; dat is de afgelopen paar eeuwen wel gebleken in ons zonnestelsel. De baanafwijkingen van de planeet Uranus werden verklaard door de zwaartekrachtwerking van een nog onbekende planeet op grotere afstand van de zon. Zo werd in 1846 Neptunus ontdekt. Maar de veel subtielere baanafwijkingen van Mercurius bleken een andere oorzaak te hebben. Om die te verklaren was een nieuwe zwaartekrachttheorie nodig: Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie. Die beschrijft zwaartekracht als een vervorming van ruimte en tijd, en leidt tot nét wat andere voorspellingen dan de klassieke wetten van Newton. Volgens de formules van Einstein gedraagt Mercurius zich wél keurig volgens het boekje.

De Israëlische natuurkundige Mordehai Milgrom speelde veertig jaar geleden voor het eerst met de gedachte dat het raadsel van de donkere materie op een soortgelijke manier zou kunnen worden opgelost. Stel dat de zwaartekracht zich in de dunstbevolkte delen van het heelal anders gedraagt en een wat grotere reikwijdte heeft, dan is het logisch dat de buitendelen van sterrenstelsels sneller roteren dan je zou verwachten. Niks donkere materie; gewoon de formules van de zwaartekracht een beetje aanpassen.

Trouwe aanhang

Milgrom (inmiddels 73) heeft in de afgelopen decennia een kleine maar trouwe schare aanhangers om zich heen verzameld. Even strijdlustig als de inwoners van het dorpje van Asterix blijven zij moedig weerstand bieden tegen de overheersing van de donkeremateriedoctrine. En anders dan bij antivaxxers of Flat Earthers het geval is, wordt het Mond-gedachtengoed door de ‘gevestigde wetenschap’ niet linea recta afgeserveerd. Logisch, aldus Milgrom. “Nu de ontdekking van donkere-materiedeeltjes uitblijft, staan theoretici steeds meer open voor allerlei alternatieven.”

Wat overigens bepaald niet betekent dat het idee wordt omarmd. Mond mag dan hoge ogen gooien bij het verklaren van de draaisnelheden van sterrenstelsels, op andere terreinen van de astronomie doet de theorie het veel minder goed. De eigenschappen van clusters (grote zwermen van honderden of duizenden sterrenstelsels) kunnen door Mond bijvoorbeeld niet goed worden beschreven, tenzij je aanneemt dat die flinke hoeveelheden onontdekte materie bevatten. En het is Milgrom en zijn collega’s ook nog niet gelukt om de groteschaalstructuur van het heelal – met slierterige superclusters en uitgestrekte lege holtes – gedetailleerd te verklaren.

Het conventionele standaardmodel van de kosmologie slaagt daar enorm veel beter in. Volgens dat populaire scenario bevat het heelal niet alleen veel donkere materie, maar ook enorme hoeveelheden al even mysterieuze donkere energie. Vorige maand werd de status van dit ‘concordantiemodel’ nog eens onderstreept door de toekenning van een halve Nobelprijs Natuurkunde aan de Canadees-Amerikaanse theoretisch kosmoloog Jim Peebles, die in de jaren zeventig een doorslaggevende rol speelde bij de totstandkoming ervan. Maar ja, ook het concordantiemodel is niet zonder problemen. Het voorspelt bijvoorbeeld veel meer kleine dwergsterrenstelsels dan er in werkelijkheid worden waargenomen.

Beeld Erik Smits

Nachtmerrie

Noem het gerust een wetenschappelijke nachtmerrie, om in Halloween-termen te blijven. Volgens Stacy McGaugh, een prominente Amerikaanse Mond-aanhanger, is donkere materie een beetje vergelijkbaar met buitenaards leven. Er valt nooit met absolute zekerheid aan te tonen dat het níét bestaat, legt hij uit. “Je kunt altijd blijven beweren dat je nog niet goed genoeg hebt gezocht.” Daar staat tegenover dat het vrijwel onmogelijk is om het gelijk van Mond te bewijzen, vult Milgrom aan: je kunt hooguit steeds meer ondersteunende aanwijzingen verzamelen, in de hoop dat iedereen uiteindelijk overstag gaat.

Andersom kan trouwens wel: zodra de speurtocht naar Wimps (of andere donkeremateriedeeltjes) succes heeft, weten we zeker dat het onzichtbare spul bestaat en kan Mond in de prullenbak. Maar dat zou nog weleens heel lang kunnen duren. Vooruitlopend daarop werken creatieve rekenaars zoals de Amerikaan Justin Khoury al aan theorieën over ‘supervloeibare donkere materie’ – een rare tussenvorm die de pluspunten van donkere materie en Mond met elkaar combineert.

Tegen de stroom in

Ondertussen ziet McGaugh met lede ogen aan hoe elke ogenschijnlijke weerlegging van Mond ruime aandacht krijgt. Een paar weken geleden nog: een deels Nederlands team van radioastronomen publiceerde nieuwe metingen aan de rotatiesnelheden van zes dwergsterrenstelsels. Die lijken op het eerste gezicht flagrant in strijd met de voorspellingen van Mond. Maar McGaugh is niet onder de indruk. Onnauwkeurige metingen, twijfelachtige analyse, voorbarige conclusies. “Als Mond niet het slachtoffer zou zijn, was dit resultaat nooit gepubliceerd. Niemand zou het hebben geloofd.”

Zo blijven de aanhangers van de Mond-theorie dapper tegen de stroom in roeien. En blijven traditionele wetenschappers onverminderd jacht maken op het onzichtbare deel van de kosmische ijsberg. “Er zijn in de deeltjesfysica voldoende kandidaten voor een donkeremateriedeeltje”, zegt kosmoloog Koen Kuijken van de Leidse Sterrewacht. “En daaronder zijn er veel die nog lang aan directe detectie kunnen blijven ontsnappen.” Met andere woorden: afwezigheid van bewijs betekent nog lang niet bewijs van afwezigheid.

Net als verreweg de meeste andere natuurkundigen en astronomen vindt Kuijken het veel te vroeg om het populaire standaardmodel van de kosmologie af te schrijven. Maar Mordehai Milgrom, de geestelijk vader van Mond, houdt goede moed dat er ooit een kantelpunt wordt bereikt. “Het is een geleidelijk proces”, zegt hij. “Uiteindelijk gaat het erom welk model het meest plausibel wordt gevonden.”

Wie er precies spoken ziet is, kortom, nog onduidelijk. Wel lijkt het waarschijnlijk dat er nog heel wat Dark Matter Days zullen passeren voordat iedereen het met elkaar eens is. Voorlopig tast de wetenschap nog in het griezelige duister.

Ondergrondse race

In een tunnel onder de Italiaanse Apennijnen bouwt het Nationaal instituut voor subatomaire fysica Nikhef mee aan een gloednieuwe donkeremateriedetector. Onder de grond, omdat de gevoelige apparatuur dan niet bloot staat aan kosmische straling en andere verstorende deeltjes uit het heelal.

“De komende week is een hectische tijd, waarin we het hart van de detector in elkaar zetten”, zegt fysicus Auke Pieter Colijn, die nauw bij het project is betrokken. XENONnT, zoals het experiment heet, maakt jacht op de minieme lichtflitsen die kunnen ontstaan wanneer een weakly interacting massive particle (Wimp) een – zeldzame – reactie aangaat met de kern van een xenon-atoom. Xenon is een edelgas dat onder andere gebruikt wordt in elektronenflitsers en sommige autokoplampen, en in de medische wereld,als narcosemiddel.

De nieuwe detector bevat 8 ton ultra-zuiver diepgekoeld vloeibaar xenon – acht keer zo veel als zijn voorloper. Een concurrerende groep onderzoekers legt in een verlaten mijn in Zuid-Dakota de laatste hand aan de LZ-detector, die nog net een slag groter is. Beide experimenten moeten in de loop van 2020 van start gaan.

Met de nieuwe generatie detectoren is een bedrag van enkele tientallen miljoenen euro’s gemoeid. Niemand weet of ze daadwerkelijk donkere materie zullen ontdekken. Plannen voor een nóg grotere opvolger liggen al op de tekentafel.

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met De Morgen?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van De Morgen rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234