Het grootste deel van het universum bestaat uit "materie" die niet kan worden gezien, mogelijk immaterieel is, en alleen door de zwaartekracht in wisselwerking staat met andere dingen. Oh ja, en natuurkundigen weten niet wat deze kwestie is of waarom er zo veel van in het heelal is - ongeveer vier vijfde van zijn massa.
Wetenschappers noemen het donkere materie.
Dus waar is deze mysterieuze materie die zo'n groot deel van ons universum vormt, en wanneer zullen wetenschappers het ontdekken?
Hoe weten we dat deze kwestie bestaat?
De hypothese van donkere materie werd voor het eerst naar voren gebracht door de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky in de jaren dertig, toen hij zich realiseerde dat zijn metingen van de massa's van clusters van sterrenstelsels lieten zien dat een deel van de massa in het heelal "ontbrak". Wat sterrenstelsels ook zwaarder maakt, het zendt geen licht uit en heeft ook geen wisselwerking met iets anders dan door zwaartekracht.
Astronoom Vera Rubin ontdekte in de jaren 70 dat de rotatie van sterrenstelsels niet de bewegingswet van Newton volgt; Sterren in sterrenstelsels (in het bijzonder Andromeda) leken met dezelfde snelheid rond het centrum te draaien, maar die verder van de ster af bewegen langzamer. Alsof iets massa toevoegt aan het buitenste deel van de melkweg dat niemand kon zien.
De rest van het bewijs komt van gravitatielenzen, die optreedt wanneer de zwaartekracht van een groot object lichtgolven rond een object buigt. Volgens de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein buigt de zwaartekracht de ruimte (zoals een sumoworstelaar de mat waarop hij staat kan vervormen) zodat lichtstralen rond grote objecten buigen, ook al is het licht zelf massaloos. Waarnemingen toonden aan dat er niet genoeg zichtbare massa was om het licht te buigen zoals rond individuele clusters van sterrenstelsels - met andere woorden, de sterrenstelsels waren zwaarder dan ze zouden moeten zijn.
Promotie video:
Dan is er de relikwie-straling (CMB), de "echo" van de oerknal en supernovae. "De CMB vertelt ons dat het universum ruimtelijk vlak is", zegt Jason Kumar, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Hawaï. "Ruimtelijk vlak" betekent dat als je twee lijnen door het universum trekt, ze elkaar nooit kruisen, zelfs niet als de lijnen miljarden lichtjaren breed zijn. In een steil gekromd universum zullen deze lijnen elkaar ergens in de ruimte ontmoeten.
Er is nu een kleine controverse onder kosmologen en astronomen over het bestaan van donkere materie. Het heeft geen invloed op licht en is niet geladen zoals elektronen of protonen. Tot nu toe is het aan directe detectie ontsnapt.
"Dit is een mysterie", zei Kumar. Er kunnen manieren zijn waarop wetenschappers hebben geprobeerd donkere materie te 'zien' - hetzij door de interactie met gewone materie, of door te zoeken naar deeltjes die donkere materie zouden kunnen worden.
Wat donkere materie niet is
Er zijn veel theorieën gekomen en gegaan over wat donkere materie is. Een van de eerste was heel logisch: de vraag was verborgen in massieve astrofysische compacte halo-objecten (MACHO's), zoals neutronensterren, zwarte gaten, bruine dwergen en schurkenplaneten. Ze zenden geen licht uit (of ze zenden heel weinig uit), dus zijn ze nagenoeg onzichtbaar voor telescopen.
Het verkennen van sterrenstelsels op zoek naar kleine vervormingen in sterlicht geproduceerd door MACHO, passerend - microlensing genaamd - kon de hoeveelheid donkere materie rond sterrenstelsels, of zelfs maar een groot deel ervan, niet verklaren. "MACHO's lijken net zo buitengesloten als altijd", zegt Dan Hooper, een geassocieerd onderzoeker bij het Fermi National Accelerator Laboratory in Illinois.
Donkere materie lijkt geen gaswolk te zijn die niet door telescopen kan worden gezien. Diffuus gas absorbeert licht van melkwegstelsels die verder weg zijn, en aan de bovenkant van dat gas zal normaal gas straling opnieuw uitzenden met langere golflengten - er zal een enorme emissie van infrarood licht in de lucht zijn. Aangezien dit niet gebeurt, kunnen we het uitsluiten.
Wat kan het zijn
Zwak interacterende massieve deeltjes (WIMP's) zijn enkele van de sterkste kanshebbers voor de verklaring van donkere materie. Wimps zijn zware deeltjes - ongeveer 10 tot 100 keer zwaarder dan het proton, die zijn gemaakt tijdens de oerknal en die tegenwoordig in kleine aantallen blijven. Deze deeltjes interageren met normale materie door zwaartekracht en zwakke nucleaire krachten. De zwaardere WIMP's zullen langzamer door de ruimte bewegen en kunnen daarom kandidaten zijn voor "koude" donkere materie, terwijl de lichtere WIMP's sneller zullen bewegen en kandidaten zijn voor "warme" donkere materie.
Een manier om ze te vinden is door "directe detectie", zoals het Large Underground Xenon (LUX) -experiment, een container met vloeibaar xenon in een mijn in South Dakota.
Een andere manier om watjes te zien zou kunnen zijn met een deeltjesversneller. Binnenin versnellers worden atoomkernen gebroken met een snelheid die dicht bij de snelheid van het licht ligt, en tijdens het proces wordt deze botsingsenergie omgezet in andere deeltjes, waarvan sommige nieuw zijn voor de wetenschap. Tot nu toe is er niets gevonden in deeltjesversnellers die op vermeende donkere materie lijken.
Een andere mogelijkheid: axions. Deze subatomaire deeltjes kunnen indirect worden gedetecteerd door de soorten straling die ze uitzenden, hoe ze vernietigen of hoe ze vervallen in andere soorten deeltjes of verschijnen in deeltjesversnellers. Er is echter ook geen direct bewijs voor axions.
Aangezien de ontdekking van zware, langzame "koude" deeltjes zoals watjes of axions nog geen resultaten heeft opgeleverd, onderzoeken sommige wetenschappers de mogelijkheid dat lichte, sneller bewegende deeltjes "warme" donkere materie veroorzaken. Er is hernieuwde belangstelling voor een dergelijk model van donkere materie nadat wetenschappers met behulp van het Chandra X-ray Observatory in de Perseus-cluster, een groep sterrenstelsels op ongeveer 250 miljoen lichtjaar van de aarde, bewijs vonden van een onbekend deeltje. De bekende ionen in dit cluster produceren bepaalde lijnen van röntgenstraling, en in 2014 zagen wetenschappers een nieuwe "lijn" die zou kunnen overeenkomen met een onbekend lichtdeeltje.
Als donkere materiedeeltjes licht zijn, zullen wetenschappers het moeilijk hebben om ze direct te vinden, zei Tracey Slater, een natuurkundige aan het MIT. Ze stelde nieuwe soorten deeltjes voor die donkere materie kunnen vormen.
"Donkere materie met een massa van minder dan ongeveer 1 GeV is echt moeilijk te detecteren met standaard directe detectie-experimenten, omdat ze werken door te zoeken naar onverklaarbare terugslag van atoomkernen … maar wanneer donkere materie veel lichter is dan een atoomkern, is de terugstootenergie erg klein", zei Tracy. Leidekker.
Er is veel onderzoek gedaan naar de zoektocht naar donkere materie, en als de huidige methoden falen, zullen er nieuwe worden uitgevoerd. Het gebruik van "vloeibaar" vloeibaar helium, halfgeleiders en zelfs het verbreken van chemische bindingen in kristallen zijn enkele van de nieuwe ideeën voor het detecteren van donkere materie.
