De overgrote meerderheid van de massa in ons universum is onzichtbaar. En al geruime tijd proberen natuurkundigen te begrijpen wat deze ongrijpbare massa is. Als het uit deeltjes bestaat, is de hoop dat de Large Hadron Collider een deeltje van donkere materie kan produceren, of dat de ruimtetelescoop de welsprekende gammastraling van een botsing met donkere materie zal zien. Tot nu toe is er niets. En dit probleem zet theoretisch natuurkundigen aan tot nadenken over nieuwe ideeën.
In 2017 nam de beroemde theoretisch natuurkundige Lisa Randall een kijkje in een van de meest ongelooflijke mogelijkheden van donkere materie. Hypothetisch natuurlijk. In plaats van donkere materie te behandelen als een bepaald type deeltje, nam ze aan dat donkere materie zou kunnen bestaan uit een hele familie van deeltjes die donkere sterren, donkere sterrenstelsels, donkere planeten en mogelijk donker leven vormen. De chemie van het donkere universum zou net zo rijk en gevarieerd kunnen zijn als onze eigen 'reguliere chemie'.
Maar zo eenvoudig is het niet.
Donkere materie probleem
Ons universum is een verbazingwekkende, zij het onbegrijpelijke plek.
In de afgelopen decennia zijn we ons gaan realiseren dat 84,5% van de materie in het heelal niet zichtbaar is. Gezien zijn nogal onhandige bijnaam "donkere materie", verkeert deze stof in een staat waarin het geen interactie heeft met "normale" materie. Net als donkere energie zijn deze dingen "donker" omdat we ze niet begrijpen.
Als er nu een stukje donkere materie op mijn bureau ligt, zal ik het nooit weten. Een stuk donkere materie kan als zodanig niet op mijn bureau liggen. Het zal door de tafel vallen en de vloer, en de aardkorst, in de zwaartekrachtbron in de kern van onze planeet terechtkomen. Of het verdwijnt op een onbegrijpelijke manier de ruimte in. Donkere materie reageert zo zwak met alles dat dit stuk gewoon door gewone materie valt alsof het niet bestaat.
Promotie video:
Op kleine schaal is de zwaartekrachtmanifestatie van donkere materie verwaarloosbaar, maar op kosmologische afstanden is de aanwezigheid van donkere materie zeker voelbaar - het kan indirect worden waargenomen door zijn gravitatie-effect op clusters van sterrenstelsels en zijn effect op de rotatie van sterrenstelsels. We weten dat het bestaat, we zien het gewoon niet.
En we weten niet wat het is. We kunnen alleen maar raden.
Gewone materie - ook bekend als baryonische materie - interageert door middel van elektromagnetische, gravitationele, sterke en zwakke krachten. Deze krachten dragen energie over en geven structuur aan alle materie. Aan de andere kant wordt donkere materie meestal gezien als een amorfe wolk van "materie" die geen wisselwerking kan hebben via elektromagnetische, zwakke of sterke krachten. Daarom wordt aangenomen dat donkere materie "niet-baryonisch" is. Niet-baryonische materie kan zijn aanwezigheid alleen zwaartekracht onthullen.
De belangrijkste kandidaat in de zoektocht naar donkere materie is WIMP, een zwak interactief massief deeltje. Zoals de naam van de WIMP suggereert, heeft dit hypothetische deeltje geen interactie met normale materie - het is dus niet baryonisch.
Gevestigde kosmologische modellen voorspellen dat donkere materie - of het nu in de vorm van WIMP's of "axions" is - ons heelal met structuur schenkt en gewoonlijk simplistisch de "lijm" wordt genoemd die ons heelal als geheel vasthoudt.
Astronoom Vera Rubin observeerde de rotatie van sterrenstelsels en merkte op dat de meeste materie in sterrenstelsels niet waarneembaar is. Slechts een klein percentage is zichtbaar - sterren, gas en stof; de rest verbergt zich in een enorme maar onzichtbare halo van donkere materie. Het is alsof onze zichtbare melkweg van gewone materie slechts een kap is op een enorm wiel van donkere materie dat veel verder reikt dan we kunnen zien.
In een recent gepubliceerd artikel (2013) presenteerden Randall en haar collega's een meer complexe vorm van donkere materie. Volgens hen bestaat de halo van donkere materie van ons sterrenstelsel niet uit slechts één type amorfe massa van niet-baryonische materie.
"Het lijkt heel vreemd om aan te nemen dat alle donkere materie uit slechts één soort deeltje bestaat", schrijft Randall. "Een onbevooroordeelde wetenschapper zou niet moeten toestaan dat donkere materie zo divers is als onze normale materie."
Een rijk "schaduwuniversum"?
Net zoals ons zichtbare universum wordt beheerst door het standaardmodel van de fysica - een goed geteste familie van deeltjes (inclusief het beruchte Higgs-deeltje) en krachten, zou een rijk en gevarieerd model van donkere materiedeeltjes en krachten kunnen functioneren in een donkere galactische halo?
Dit onderzoek volgt de logica van het aannemen van een rijke verscheidenheid aan onbekende fysica in de donkere sector van het universum - laten we het het "schaduwuniversum" noemen - die parallel loopt aan de onze en alle complexiteit heeft die ons zichtbare universum te bieden heeft.
Astrofysici hebben eerder gesuggereerd dat 'donkere sterren' - sterren gemaakt van donkere materie - tot op de dag van vandaag in ons oude universum kunnen bestaan. Als dat zo is, stelt Randall, zouden er misschien "donkere planeten" kunnen ontstaan. En als er een familie van donkere-materiedeeltjes is die wordt bestuurd door krachten die worden ingezet in de donkere sector, kan dit dan leiden tot complexe chemie? En tot leven?
Als er echter "donker" of "schaduw" leven parallel aan ons universum bestaat, kunt u vergeten dat we het kunnen detecteren.
Het schaduwleven zal in de schaduw blijven
Het lijkt verleidelijk om deze hypothese te gebruiken om alle dagelijkse mysteries, of zelfs paranormale beweringen, uit te leggen die de wetenschap niet kan betwisten of ondersteunen. Wat als "geesten" of onverklaarbare "lichten aan de hemel" de capriolen zijn van duistere wezens die achterin alles leven?
Hoewel deze logica prima zou zijn voor een tv-programma of film, zouden deze duistere wezens leven in een schimmig universum dat volkomen onverenigbaar is met gewone materie. Hun deeltjes en krachten zouden geen effect hebben in ons universum. Je zou deze regels kunnen lezen terwijl je op een boomstronk in een donker bos zit, en je zou er nooit iets van weten.
Maar aangezien we naast dit schaduwuniversum bestaan in dezelfde ruimte-tijd - geen extra dimensies of multiversum - kan er maar één signaal worden verzonden.
Zwaartekrachtgolven werden pas in 2016 ontdekt en de eerste detectie van deze rimpelingen in de ruimtetijd werd veroorzaakt door de botsing van zwarte gaten. Het lijkt heel goed mogelijk dat zwaartekrachtgolven kunnen worden gedetecteerd in de donkere sector, maar alleen de krachtigste kosmische gebeurtenissen in de donkere sector kunnen aan ons einde van de draad worden gedetecteerd.
Al met al zullen we vrijwel zeker nooit het bestaan van schattige wezens van donkere materie bewijzen, maar Randall maakt een punt. Als we nadenken over de bron van donkere materie, moeten we verder kijken dan onze vooroordelen; de donkere sector kan een complexe familie zijn van donkere materiedeeltjes en krachten die verder gaan dan we ons kunnen voorstellen.
Ilya Khel
