Donkere materie: het grootste raadsel van de moderne sterrenkunde ‘viert’ zijn honderdste verjaardag

De eerste illustratie in het proefschrift van Jaco de Swart (33) over de geschiedenis van donkere materie is de foto van een vervormingspedaal voor een elektrische gitaar, met de typenaam Dark Matter. Behalve natuurkundige en filosoof (en kippenhouder en plasticraper) is De Swart vooral ook bassist. Na het interview moet hij direct door naar Utrecht om te oefenen met zijn band X Raiders, ooit te zien bij De Wereld Draait Door, op Paaspop en op het Zwarte Cross Festival. Bijna elke week treden de vijf jeugdvrienden ergens op. Snoeiharde rockmuziek die speelt met stijlen en genres, en waarbij alles altijd nét weer anders is dan je verwacht.

De Swart (boomlang, grote bos krullen, roodgelakte nagels aan de linkerhand, sweatshirt met op de mouwen de teksten Mortal Coil en Reaping Death) is parttimewetenschapper; minstens 20 procent van zijn tijd en energie steekt hij in de muziek en dat moet in de toekomst vooral zo blijven. Zo’n groot verschil ziet hij eigenlijk ook niet: in beide gevallen draait het om creativiteit, ongebaande paden bewandelen, nooit iets voor lief nemen en jezelf laten gaan.

En nee, De Swart, die komende zomer naar het gerenommeerde Massachusetts Institute of Technology vertrekt, heeft niet de ambitie om het raadsel van de donkere materie eigenhandig op te lossen – dat mogen anderen doen.

Het is een raadsel dat sterrenkundigen al decennia lang koppijn bezorgt. Waar het op neerkomt: er moet véél meer materie in het universum zijn dan er met telescopen is te zien. Bijna zes keer zo veel, om precies te zijn. Dat blijkt onder andere uit snelheidsmetingen in het heelal. De buitendelen van sterrenstelsels zoals onze eigen Melkweg draaien bijvoorbeeld veel sneller rond dan je zou verwachten. Dat valt alleen te verklaren als die stelsels veel zwaarder zijn dan ze eruitzien: zonder de zwaartekracht van enorme hoeveelheden donkere materie zouden de sterren met hoge snelheden de ruimte in geslingerd worden.

Iets soortgelijks geldt voor de bewegingssnelheden van sterrenstelsels in clusters – kolossale zwermen van honderden van zulke stelsels. Ook die snelheden zijn veel te hoog en wijzen op de aanwezigheid van onzichtbaar spul. En zo zijn er nog tal van andere aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie.

Geen mens weet waar die donkere materie uit bestaat. Alles wijst erop dat het om onbekende elementaire deeltjes moet gaan, maar die zijn nog nooit gevonden, en de vraag is of dat ooit gaat lukken. De Swart kan daar niet echt mee zitten; hij is vooral geïnteresseerd in de historie van het mysterie. ‘Voor mij is het alleen maar leuker en interessanter als er nog geen oplossing is.’

Hoe komt iemand erbij om tegelijkertijd natuurkunde en filosofie te gaan studeren?

‘Ik begon met natuurkunde – ‘echte’ wetenschap, dacht ik. Maar daar miste ik al snel een breder perspectief. Ik deed er ook een paar leuke vakken naast en werd gegrepen door de filosofie. Natuurkunde is heel feitelijk en gaat over de externe wereld; filosofie is reflecterender en gaat veel meer over jezelf. Hoe werkt kennis; wat houdt het begrip ‘bewijs’ eigenlijk in? In beide werelden was ik wel een beetje een vreemde eend in de bijt, die altijd andere vragen stelde dan de rest. Donkere materie vormt een mooie schakel: hoe is het mogelijk dat iets waar nog steeds zo weinig over bekend is toch zo’n belangrijke, centrale rol in de wetenschap kon gaan spelen? De titel van mijn proefschrift luidt niet voor niets How Dark Matter Came to Matter.’

Hoe oud is het raadsel eigenlijk?

‘De term ‘dark matter’ werd honderd jaar geleden, in 1922, voor het eerst geïntroduceerd door de Groningse astronoom Jacobus Kapteyn, in het meinummer van The Astrophysical Journal. Maar Kapteyn gebruikte die omschrijving totaal niet in de hedendaagse context – net zoals iemand het vast weleens over een bruine kroeg heeft gehad lang voordat die term zijn huidige betekenis kreeg. Dat gold elf jaar later ook voor de Zwitsers-Amerikaanse astronoom Fritz Zwicky, die soms wel de ‘vader van de donkere materie’ wordt genoemd.

‘Kapteyn had nog geen idee dat het heelal groter was dan ons eigen Melkwegstelsel. Hij liet wel zien dat je onzichtbare materie in principe op het spoor kan komen – en de massa ervan kan uitrekenen – door de snelheden van sterren te meten. Zwicky deed dat soort metingen voor afzonderlijke sterrenstelsels in een cluster op een afstand van een paar honderd miljoen lichtjaar. Maar in zijn tijd bestond er nog veel onduidelijkheid over het uitdijende heelal en de waarnemingen waren schaars. Zwicky signaleerde wel dat er iets aan de hand was, maar ook hij heeft het mysterie van de donkere materie niet echt op de kaart gezet.’

Wanneer werd donkere materie dan echt als een serieus probleem beschouwd?

‘Dat begon met het werk van de Amerikaanse sterrenkundige Vera Rubin. Rubin en haar collega Kent Ford toonden eind jaren zestig aan dat de buitendelen van sterrenstelsels veel sneller ronddraaien dan je zou verwachten. Radiosterrenkundigen – ook in Nederland – deden vergelijkbare metingen. In de eerste publicaties van Rubin en Ford komt de term ‘donkere materie’ overigens nog niet eens voor. Het duurde uiteindelijk tot halverwege de jaren zeventig voordat iedereen overtuigd raakte van het bestaan van enorme hoeveelheden mysterieuze donkere materie.

‘Dat kwam door de opkomst van de kosmologie – de bestudering van het heelal als geheel. Dankzij allerlei nieuwe technologieën, vaak indirect voortgekomen uit de Koude Oorlog, lukte het om de structuur en de evolutie van het complete universum op een natuurkundige manier te beschrijven. Een nieuwe generatie van jonge kosmologen wilde antwoord op de vraag hoeveel massa het heelal als geheel bevat, omdat daarmee de toekomst vastligt: blijft de ruimte na de oerknal altijd uitdijen, of komt die uitdijing ooit tot stilstand door de zwaartekracht?

‘Die laatste optie was populair, maar dan moest de kosmos heel veel onzichtbare materie bevatten. En toen waren er opeens drie ‘problemen’ die met één overkoepelend idee opgelost konden worden: de bewegingen van sterrenstelsels in clusters; de snelle rotatie van sterrenstelsels, en de ‘ontbrekende materie’ van de kosmologen. Dat ene idee was het huidige concept van donkere materie, dat we voor een belangrijk deel te danken hebben aan het werk van Jim Peebles, die daar in 2019 de Nobelprijs voor de natuurkunde voor ontving.’

En toen gingen deeltjesfysici zich opeens met het raadsel bezighouden.

‘Ja, rond diezelfde tijd ontstond er een symbiose tussen de kosmologie en de deeltjesfysica – wie de oerknal bestudeert, heeft beide vakgebieden nodig. Ik ben ervan overtuigd dat het probleem van de donkere materie een belangrijke rol heeft gespeeld bij die synthese. Peebles liet zien dat het mysterieuze spul uit onbekende elementaire deeltjes moet bestaan en dat je op die manier ook het ontstaan van de groteschaalstructuur van het heelal kunt verklaren, met zijn clusters en superclusters van sterrenstelsels.

‘In de jaren zeventig was deeltjesfysica bovendien één groot succesverhaal. Natuurkundigen hadden het standaardmodel ontwikkeld, dat alle bekende deeltjes en krachten beschrijft. In Amerika en in Europa, bij Cern, werden krachtige deeltjesversnellers gebouwd. Nieuwe ontdekkingen volgden elkaar in hoog tempo op. Er heerste sterk het gevoel van ‘wij snappen hoe dat werkt, wij gaan dat donkeremateriedeeltje wel even vinden’. Maar ja, we zijn nu ruim veertig jaar verder en het raadsel is nog steeds niet opgelost.

‘Niet zo gek dus dat er de laatste tijd ook weer meer belangstelling bestaat voor alternatieve zwaartekrachttheorieën, zoals die van mijn copromotor Erik Verlinde. Volgens hem bestaat donkere materie helemaal niet, maar moeten we de zwaartekracht en de fundamentele wetmatigheden van de natuur op een heel nieuwe manier leren begrijpen. Er staat veel op het spel; fascinerend.

‘Mijn eigen onderzoek naar de historie van donkere materie laat in elk geval zien dat wetenschap bepaald geen rechtlijnig proces is en dat je op moet passen met de term ‘doorslaggevend bewijs’. Bovendien: donkere materie is voor iedereen weer een ander probleem. Voor deeltjesfysici gaat het om nieuwe natuurkunde voorbij het standaardmodel, voor astronomen om het verklaren van de eigenschappen van het heelal en voor mensen zoals Verlinde draait het om ons begrip van de zwaartekracht.’

De term ‘dark matter’ is nu honderd jaar oud. Gaan we de oplossing van het mysterie ooit nog meemaken?

‘Voor veel wetenschappers begint de speurtocht frustrerend te worden. Ik werk aan een antropologisch onderzoek naar het ondergrondse Xenon-experiment in Italië, waar al lang naar donkere materie wordt gezocht – tot nu toe zonder succes. Enerzijds is er de romantiek van de zoektocht naar iets fundamenteels; anderzijds de banaliteit van het dagelijkse werk, waarbij een leger van studenten bezig is met het tot in de perfectie schoonmaken van letterlijk elk schroefje, om het experiment zo gevoelig mogelijk te maken. Die combinatie heeft iets tragisch.

‘Aan de andere kant: zwaartekrachtgolven – minieme rimpelingen in de ruimtetijd – werden ook pas een eeuw nadat ze door Albert Einstein waren voorspeld voor het eerst gemeten. En biologen hebben ook lang jacht gemaakt op een soort genetische bouwsteen van het leven voordat dna werd ontdekt.

‘Ik denk wel dat we ons moeten bezinnen op de rol van de wetenschap in het inrichten van onze maatschappij. We zitten midden in een ecologische crisis; de aarde staat in de fik. Maar natuurkundigen zijn heel goed in het negeren van de rest van de wereld. Die dromen alweer over een nóg grotere en duurdere deeltjesversneller als nieuw wapen in hun kruistocht om de natuur te begrijpen. Is het dat allemaal echt waard? Wanneer is het genoeg? Dat is volgens mij een spanningsveld waar de natuurkunde nog een weg in moet zien te vinden.’