kennislink.nl maakt nieuwsgierig

Hoe meet je iets dat bijna niet meetbaar is? Sterrenkundigen breken zich al jarenlang het hoofd over die vraag, en sinds deze maand zijn we een stukje dichter bij het antwoord. Donkere materie, de raadselachtige substantie waarvan het overgrote deel van ons heelal moet zijn gemaakt, is het doelwit geworden van een computergestuurde zoekactie die zijn weerga niet kent. Resultaat: een kaart van het heelal waarin is aangegeven waar de donkere materie waarschijnlijk is. Nu weten de zoekers in ieder geval waar ze hun geavanceerde apparatuur op moeten richten om de grootste kans te hebben om een piepklein signaaltje uit de duisternis te kunnen meten.

Onzichtbare materie

Het raadsel van de donkere materie bestaat al sinds 1933. De Zwitser Fritz Zwicky keek toen naar een het Coma-cluster, een grote verzameling sterrenstelsels, en merkte tot zijn verbazing dat de zwaartekracht die ervoor nodig is om dat cluster in stand te houden vele malen hoger is dan door de zichtbare sterren in dat cluster kan worden opgewekt. Zijn conclusie was dat een heel groot gedeelte van de sterrenstelsels uit onzichtbare materie of energie moet bestaan, en sindsdien is de zoektocht gaande.

Drieëneenhalf miljoen uur

Ondertussen zijn we 75 jaar verder, en nog steeds is het donkere materie-raadsel verre van opgelost. Reden te meer voor een internationaal team van knappe koppen om een nieuwe, geavanceerdere manier van zoeken te bedenken. Deze onderzoekers, waaronder de Groningse hoogleraar Amina Helmi, besloten om onze kennis van de Melkweg in een enorm cluster van computers te stoppen. Door middel van zwaartekrachtberekeningen kon dit computercluster in drieëneenhalf miljoen rekenuren een kaart van de Melkweg maken, waarin de hoeveelheid zichtbare materie wordt vergeleken met de hoeveelheid die nodig is om alle bewegingen te verklaren.

De krachttoer bleek niet voor niets: de onderzoekers vonden op hun kaart een aantal regio’s waar de zichtbare materie bij lange na niet genoeg is om de zwaartekrachtvergelijkingen mee in te vullen. Op die donkere plekken op de kaart moet dus in grote hoeveelheden donkere materie aanwezig zijn. De regio die de grootste kans biedt op het vinden van de onzichtbare massa is tussen de 10 en 30 graden van het centrum van de Melkweg. Hoewel donkere materie zo goed als onzichtbaar is, denken de onderzoekers dat de regio’s waarin de donkere materie-dichtheid het hoogst is toch iets moeten kunnen opleveren.

Gammastraling

“Er is kort geleden een NASA-satelliet gelanceerd, genaamd Fermi,” legt Amina Helmi van Universiteit Groningen uit. Met de Groningse supercomputer STELLA heeft haar groep bijgedragen aan de grote simulatie. “Fermi kan de gammastraling meten die onstaat als donkere materie-deeltjes bij botsingen worden vernietigd. We hebben berekend waar de dichtheid van donkere materie zo groot is dat er veel gammastraling zou kunnen worden gedetecteerd.”

Als het lukt om donkere materie te meten zal het met die meetgegevens mogelijk zijn om te zeggen waar de donkere materie uit bestaat. “De verwachting is dat Fermi ongeveer twee jaar lang meetgegevens moet verzamelen voordat het signaal van de donkere materie duidelijk genoeg is,” zegt Helmi. “Als dat zo is, weten we dus in 2010 wat donkere materie is!” Ook op aarde worden experimenten gedaan om donkere materie-deeltjes te meten, onder andere in de nieuwe deeltjesversneller LHC bij het Zwitserse CERN.

Geluk en doorzettingsvermogen

De jacht op donkere materie mag dan wel al 75 jaar bezig zijn, maar de intensiteit waarmee de zoektocht nu wordt ingezet is zelden eerder gezien. Over de door brute rekenkracht verkregen ruimtekaart wordt deze week in Nature bericht. Ook hebben 38 statistisch kosmologen elkaar op een conferentie uitgedaagd om het raadsel van donkere materie voor eens en altijd uit de wereld te helpen, door op zoek te gaan naar gravitationele lens-effecten: licht dat een klein beetje wordt afgebogen door het zwaartekrachtveld van de donkere materie. Er heerst een sfeer van optimisme in het donkere materie-onderzoek. Met een combinatie van wat gelukt en een flinke dosis doorzettingsvermogen verwachten wetenschappers over de hele wereld dat in de komende jaren eindelijk kan worden uitgelegd waar het merendeel van ons heelal uit is opgebouwd.

WIMPs en MACHOs

Er zijn tot nu toe een aantal kandidaten bedacht om het donkere materie-probleem op te lossen.

Sommige onderzoekers denken dat er een tot nu toe onontdekte klasse van superzware deeltjes moet bestaan, die weinig tot geen interactie met hun omgeving hebben. Deze ‘weakly interacting massive particles’ (WIMPs) zouden moeilijk te ontdekken zijn omdat ze nauwelijks straling uitzenden en ook geen invloed hebben op het gedrag van andere objecten.

Andere wetenschappers zetten hun geld op MACHOs, ‘massive compact halo objects’. Dat zouden bijvoorbeeld kleine zwarte gaten of neutronensterretjes kunnen zijn, die een enorm hoge dichtheid hebben maar door hun formaat vanaf de aarde niet te meten zijn.

Ook neutrino’s zijn verdacht: deze superkleine elementaire deeltjes bleken onlangs niet helemaal massaloos te zijn. Een enorme hoeveelheid van deze deeltjes, of een onbekende klasse ervan die nog een stukje zwaarder is dan degenen die we kennen, kan ook een onmeetbare materiewolk vormen.

Hoewel van elk van de drie klassen bekend is dat ze bestaan en mogelijk bijdragen aan de donkere materie-achtergrond van het heelal, lijkt het er niet op dat één van de drie afzonderlijk een sluitende oplossing op het probleem biedt. De echte oplossing van het donkere materie-vraagstuk ligt dus waarschijnlijk ergens anders.
____________________________________________________________________