NASA Science Mission Directorate

In het begin van de jaren negentig was één ding redelijk zeker over de uitdijing van het heelal. Het heelal zou genoeg energiedichtheid kunnen hebben om zijn uitdijing te stoppen en weer in elkaar te storten, het zou zo weinig energiedichtheid kunnen hebben dat het nooit zou stoppen met uitdijen, maar het was zeker dat de zwaartekracht de uitdijing in de loop der tijd zou vertragen. Toegegeven, de vertraging was niet waargenomen, maar theoretisch moest het heelal wel vertragen. Het heelal zit vol met materie en de aantrekkingskracht van de zwaartekracht trekt alle materie samen. Toen kwamen 1998 en de waarnemingen van de Hubble Space Telescope (HST) van zeer verre supernovae, waaruit bleek dat het heelal lang geleden in feite langzamer uitdijde dan nu. De uitdijing van het heelal is dus niet vertraagd ten gevolge van de zwaartekracht, zoals iedereen dacht, maar is versneld. Niemand verwachtte dit, niemand wist hoe het te verklaren. Maar iets veroorzaakte het.

Eindeljk kwamen theoretici met drie soorten verklaringen op de proppen. Misschien was het een gevolg van een lang afgedankte versie van Einsteins zwaartekrachttheorie, een theorie die een zogenaamde “kosmologische constante” bevatte. Misschien was er een vreemd soort energievloeistof die de ruimte vulde. Misschien is er iets mis met Einsteins theorie van de zwaartekracht en zou een nieuwe theorie een soort veld kunnen bevatten dat deze kosmische versnelling veroorzaakt. Theoretici weten nog steeds niet wat de juiste verklaring is, maar ze hebben de oplossing een naam gegeven. Het wordt donkere energie genoemd.

Wat is donkere energie?

Er is meer onbekend dan er bekend is. We weten hoeveel donkere energie er is omdat we weten hoe deze de uitdijing van het heelal beïnvloedt. Voor de rest is het een compleet mysterie. Maar het is wel een belangrijk mysterie. Het blijkt dat ongeveer 68% van het heelal uit donkere energie bestaat. Donkere materie maakt ongeveer 27% uit. De rest – alles op aarde, alles wat ooit met al onze instrumenten is waargenomen, alle normale materie – maakt samen minder dan 5% van het heelal uit. Nu ik erover nadenk, misschien zou het helemaal geen “normale” materie moeten heten, omdat het zo’n klein deel van het heelal uitmaakt.

Dit diagram toont veranderingen in de uitdijingssnelheid sinds de geboorte van het heelal 15 miljard jaar geleden. Hoe ondieper de curve, des te sneller de uitdijing. De curve verandert merkbaar ongeveer 7,5 miljard jaar geleden, toen objecten in het heelal sneller uit elkaar begonnen te vliegen. Astronomen denken dat de snellere uitdijing het gevolg is van een mysterieuze, donkere kracht die sterrenstelsels uit elkaar trekt.

Credit: NASA/STSci/Ann Feild

Eén verklaring voor donkere energie is dat het een eigenschap van de ruimte is. Albert Einstein was de eerste die zich realiseerde dat lege ruimte niet niets is. De ruimte heeft verbazingwekkende eigenschappen, waarvan vele nog maar net beginnen te worden begrepen. De eerste eigenschap die Einstein ontdekte is dat het mogelijk is dat er meer ruimte ontstaat. Dan doet één versie van Einsteins zwaartekrachttheorie, de versie die een kosmologische constante bevat, een tweede voorspelling: “Lege ruimte’ kan zijn eigen energie bezitten. Omdat deze energie een eigenschap van de ruimte zelf is, zou zij niet verdund worden als de ruimte uitdijt. Naarmate er meer ruimte ontstaat, zou er meer van deze energie-van-de-ruimte verschijnen. Als gevolg daarvan zou deze vorm van energie het heelal steeds sneller doen uitdijen. Helaas begrijpt niemand waarom de kosmologische constante er überhaupt zou moeten zijn, laat staan waarom deze precies de juiste waarde zou hebben om de waargenomen versnelling van het heelal te veroorzaken.

Deze afbeelding toont de verdeling van donkere materie, sterrenstelsels en heet gas in de kern van de fuserende sterrenstelselcluster Abell 520. Het resultaat zou een uitdaging kunnen vormen voor basistheorieën over donkere materie.

Een andere verklaring voor hoe de ruimte energie verkrijgt, komt uit de kwantumtheorie van de materie. In deze theorie zit de “lege ruimte” eigenlijk vol met tijdelijke (“virtuele”) deeltjes die zich voortdurend vormen en dan weer verdwijnen. Maar toen natuurkundigen probeerden te berekenen hoeveel energie dit aan de lege ruimte zou geven, kwam het antwoord verkeerd uit – heel erg verkeerd. Het getal was 10120 keer te groot. Dat is een 1 met 120 nullen erachter. Het is moeilijk om zo’n slecht antwoord te krijgen.

Een andere verklaring voor donkere energie is dat het een nieuw soort dynamische energievloeistof of -veld is, iets dat de hele ruimte vult, maar waarvan het effect op de uitdijing van het heelal het tegenovergestelde is van dat van materie en normale energie. Sommige theoretici hebben dit “kwintessens” genoemd, naar het vijfde element van de Griekse filosofen. Maar als kwintessens het antwoord is, weten we nog steeds niet wat het is, waarmee het interageert, of waarom het bestaat. Het mysterie duurt dus voort.

Een laatste mogelijkheid is dat Einsteins theorie van de zwaartekracht niet klopt. Dat zou niet alleen van invloed zijn op de uitdijing van het heelal, maar ook op de manier waarop de normale materie in sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels zich gedraagt. Dit feit zou een manier bieden om te beslissen of de oplossing voor het donkere-energieprobleem een nieuwe zwaartekrachttheorie is of niet: we zouden kunnen observeren hoe sterrenstelsels in clusters samenkomen. Maar als blijkt dat een nieuwe zwaartekrachttheorie nodig is, wat voor soort theorie zou dat dan zijn? Hoe zou deze de beweging van de hemellichamen in het zonnestelsel correct kunnen beschrijven, zoals Einsteins theorie doet, en ons toch de andere voorspelling voor het heelal kunnen geven die we nodig hebben? Er zijn kandidaat-theorieën, maar geen enkele is overtuigend. Dus het mysterie duurt voort.

Wat nodig is om te kunnen kiezen tussen de mogelijkheden van donkere energie – een eigenschap van de ruimte, een nieuwe dynamische vloeistof, of een nieuwe theorie van de zwaartekracht – zijn meer gegevens, betere gegevens.

Wat is donkere materie?

Door een theoretisch model van de samenstelling van het heelal aan te passen aan de gecombineerde set van kosmologische waarnemingen, zijn wetenschappers uitgekomen op de samenstelling die we hierboven beschreven, ~68% donkere energie, ~27% donkere materie, ~5% normale materie. Wat is donkere materie?

We zijn er veel zekerder van wat donkere materie niet is dan wat het wel is. Ten eerste is het donker, dat wil zeggen dat het niet bestaat in de vorm van sterren en planeten die we zien. Uit waarnemingen blijkt dat er veel te weinig zichtbare materie in het heelal is om de 27% te vormen die volgens de waarnemingen nodig is. Ten tweede is het niet in de vorm van donkere wolken van normale materie, materie die bestaat uit deeltjes die baryonen worden genoemd. We weten dit omdat we in staat zouden zijn baryonwolken te detecteren door hun absorptie van straling die er doorheen gaat. Ten derde is donkere materie geen antimaterie, omdat we de unieke gammastralen niet zien die worden geproduceerd wanneer antimaterie annihileert met materie. Tenslotte kunnen we grote zwarte gaten ter grootte van een melkwegstelsel uitsluiten op basis van het aantal gravitatielenzen dat we zien. Hoge concentraties van materie buigen licht dat dichtbij hen komt af van objecten die verder weg zijn, maar we zien niet genoeg lensing gebeurtenissen om te suggereren dat zulke objecten de vereiste 25% donkere materie bijdrage leveren.

Een van de meest gecompliceerde en dramatische botsingen tussen clusters van melkwegstelsels die ooit zijn waargenomen, is vastgelegd in deze nieuwe composietopname van Abell 2744. Het blauw toont een kaart van de totale massaconcentratie (voornamelijk donkere materie).

Echter, op dit moment zijn er nog een paar donkere materie mogelijkheden die levensvatbaar zijn. Baryonische materie kan nog steeds deel uitmaken van de donkere materie als alles vastzit in bruine dwergen of in kleine, dichte brokken van zware elementen. Deze mogelijkheden staan bekend als massieve compacte halo objecten, of “MACHO’s”. Maar de meest gangbare opvatting is dat donkere materie helemaal niet baryonisch is, maar bestaat uit andere, meer exotische deeltjes zoals axionen of WIMPS (Weakly Interacting Massive Particles).

Recente ontdekkingen