Het heelal wordt raadselachtiger

Vrijwel alle pogingen dit jaar om te begrijpen wat donkere materie zou kunnen zijn, hebben niks opgeleverd.

Alles went, zelfs zwaartekrachtgolven. En dus leek het routine toen de astrofysici van de Amerikaanse Ligo-detectoren half oktober een persconferentie aankondigden. Weer een ruimterilling. Weer zwarte gaten. Weer Einsteins gelijk.

Alleen bleek het op 16 oktober allemaal net even anders. Inderdaad was er een ruimtetijdbeving waargenomen, op 17 augustus om precies te zijn. Maar anders dan anders: ditmaal hadden telescopen ook de bron kunnen spotten. Een onopvallend sterretje in sterrenbeeld Waterslang was na een flits gammastraling opgelicht en doofde nu langzaam weer uit. Ditmaal, luidde de conclusie, waren er geen duistere zwarte gaten versmolten, maar neutronensterren gebotst. Bij de botsing, meldden de astrofysici ook meteen, waren sporen van elementen als goud gevonden. Ontstaan in het kosmische geweld.

Terwijl de media zich vooral druk maakten over dat goud, begonnen astronomen van de sterrenwacht op Antarctica aan rekenwerk dat minder tot de verbeelding spreekt, maar meer dan goud waard zou blijken.

Tussen de aankomst van de ruimtegolf en de lichtflits hadden luttele seconden gezeten. Dat verschil, was de verwachting, kon iets zeggen over de tussenliggende ruimte. En dan vooral over de vraag of de zwaartekracht op grote lengteschalen wellicht anders werkt dan op kleine. Het antwoord luidde ontkennend: veel verschil kon er niet zijn, stelden de rekenaars vast. Maar die conclusie haalde wel meteen een fikse streep door theorieën die zulke afwijkingen gebruiken om een bekend raadsel uit de kosmologie weg te redeneren.

Dat raadsel is het raadsel van de donkere materie. Wie in het heelal om zich heen kijkt, ziet alleen oplichtende materie. Maar die beweegt zich alsof er veel meer massa moet zijn, die niet zichtbaar lijkt. Sterrenstelsels en sterclusters, bijvoorbeeld, draaien vaak te snel om zichtbare sterren bij elkaar te houden. En ook metingen aan de straling van de oerknal laten zien dat er veel meer zwaartekracht moet zijn dan het zichtbare heelal kan leveren.

Meer dan vijfzesde van alle materie is zoek, is de moderne schatting. De meeste astrofysici denken dat het om een onbekende vorm van materie gaat die weigert licht te geven. Een minderheid meent dat de afwijkingen komen doordat de formules voor de zwaartekracht niet helemaal kloppen, vooral op grote afstanden niet.

De waargenomen zwaartekrachtgolf geeft de minderheid die gelooft in aangepaste zwaartekracht (modified gravity) weinig reden tot hoop. Maar dat wil niet zeggen dat bij de school van de donkere materie de vlag wel uit kan. Die school heeft, op zijn zachtst gezegd, ook geen best jaar achter de rug. Vrijwel alle pogingen om te begrijpen wat donkere materie zou kunnen zijn, hebben niks opgeleverd.

XENON1T

Om te beginnen was er begin november nieuws van de laboratoria van Gran Sasso, diep in de Italiaanse Apennijnen. Daar is sinds vorig jaar XENON1T in bedrijf, een tank met 3,5 ton ijskoud vloeibaar edelgas waarin binnendringende donkeremateriedeeltjes een lichtflitsje zouden kunnen veroorzaken. Het experiment is ingericht op zogeheten WIMPs, zware deeltjes die nauwelijks andere deeltjes voelen, een klassieke kandidaat voor donkere materie. Er zijn zelfs theoretische gedachten over waaruit ze zouden kunnen bestaan. Alleen: XENON1T ziet niks wezenlijks en vertelt dus alleen hoe deze WIMPs er níét uit kunnen zien. Een soortgelijk ondergronds experiment in China, passend PandaX genaamd, komt ook met weinig resultaat.

Nog geen week na Gran Sasso volgden de universiteit van Sussex en de ETH in Zürich met meer teleurstellingen. Een andere kandidaat voor donkere materie zou het zogeheten axion zijn, onder meer voorspeld door de Utrechtse Nobelprijswinnaar Gerard 't Hooft. Axionen hebben een beetje massa en trekken zich verder zelden iets van andere materie aan. Maar uit de ingewikkelde Brits-Zwitserse proeven met sneldraaiende neutronen komt over een groot energiegebied geen enkele aanwijzing voor hun bestaan. Nog een kandidaat voor donkere materie die kan worden weggestreept, vermoeden de onderzoekers.

Beeld Hilde Harshagen

Clusters van sterrenstelsels

Ook astronomen hebben problemen. Dit najaar verscheen een studie die zou laten zien dat sommige clusters van sterrenstelsels een wiebelend zwaartepunt hebben. Gewone donkere materie kan dat niet verklaren, is de ontnuchterende boodschap van de studie. En dan is er nog de beroemde Bullet-cluster, lang gezien als schoolvoorbeeld van een bewijs voor donkere materie. Op foto's is te herkennen hoe twee sterrenclusters elkaar als kogels geramd hebben waarbij de zichtbare delen bij elkaar zijn geplakt, maar de wolken donkere materie van beide ongehinderd door elkaar heen gevlogen zijn. Helder verhaal, tot deze zomer een nieuwe studie aantoonde dat de zwaartepunten van de stelsels niet op de verwachte plekken liggen. Nog een vraagteken bij de standaardtheorie van donkere materie.

Maar lichtpuntjes zijn er ook. Groningse en Leidse astronomen maakten 3D-beelden van een handvol sterren in een ver dwergsterrenstelsel. Een precisiewerkje, maar het liet zien dat de sterren vijfmaal meer zwaartekracht uit het hart van het stelsel voelen dan daar sterren zitten. Koude donkere materie, zeggen de theoretici. Puntje erbij voor de idee dat donkere materie deeltjes zijn, al weten we niet welke.

En er is meer. Metingen met detectoren op kunstmanen en aan boord van het ruimtestation ISS laten al tijden zien dat de aarde door wolken positronen vliegt, de antimaterieversie van waterstof. Waar die vandaan komen is onbekend. Volgens sommige astronomen zouden sneldraaiende ontplofte sterren de bron kunnen zijn. Vorige maand kon dat idee richting prullenmand; metingen aan twee van zulke pulsars laten geen wezenlijke bron van positronen zien.

Tegelijk zou dat goed nieuws kunnen zijn voor de aanhangers van de deeltjesversie van donkere materie. Volgens een andere theorie kunnen positronen ook ontstaan als bepaalde vormen van donkere materie spontaan uit elkaar vallen. Of dat dan wel waar is, valt natuurlijk te bezien, zei een astrofysicus in Science. 'Maar het geeft wel meer richting om te zoeken.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant 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 copyright @volkskrant.nl.
© 2019 de Persgroep Nederland B.V. - alle rechten voorbehouden