Bestaat donkere materie wel?

De wetenschap zoek al heel wat jaren naar donkere materie maar bestaat dat wel?

Door Gerben de Jong

Donkere materie deel 2 (Naar Sabine Hossenfelder "Dark Matter: The situation has changed")

Vanaf midden jaren tachtig was de opvatting dat donkere materie 80% van alle materie uitmaakte en 24% van alle materie en energie samen. Donkere materie moet je niet verwarren met donkere energie. Donkere energie doet het universum steeds harder uitdijen. Donkere materie laat sterrenstelsels harder draaien. Aanvankelijk dacht men dat donkere materie bestond uit deeltjes die nog niet waargenomen waren. Er kwamen een aantal deeltjes in aanmerking:

Gravitino (zwaartekrachtdeeltje)
Neutralino (ongeladen deeltjes, identiek aan hun antideeltje)
WIMP’s (zwak werkende massieve deeltjes)
Axion (nieuw elementair deeltje)

Nu hoef je alleen nog op zoek te gaan naar die deeltjes om donkere materie te vinden. Op zeker moment zal iemand zo’n deeltje vinden, een nobelprijs krijgen en we zijn klaar. Alleen… het is na twintig jaar nog steeds niet gelukt om zo’n deeltje te vinden! Er zijn zelfs verschijnselen waargenomen door sterrenkundigen die steeds moeilijker te verklaren zijn met de veronderstelling van “zwarte deeltjes materie”.

Wat de zwarte deeltjes materie wel kan verklaren:

Donkere materie werd in eerste instantie geopperd vanwege waarnemingen aan clusters van sterrenstelsels. De sterrenstelsels draaien om elkaar heen. En hoe snel ze om elkaar heen draaien hangt af van de zwaartekracht tussen de stelsels en dus van de massa van de stelsels. Hoe groter de snelheid, hoe groter de massa kennelijk is. De sterrenstelsels draaien veel te snel om elkaar heen, als je de snelheid vergelijkt met de bijbehorende massa van die stelsels. Fritz Zwicky veronderstelde in de jaren dertig van de vorige eeuw al dat er extra onzichtbare massa (Dunkle Materie in het Duits) aanwezig moest zijn.
Met de sterren aan de buitenrand van een sterrenstelsel zoals de Melkweg is het precies hetzelfde: ze draaien veel te snel. Ze zouden weg moeten schieten, maar worden toch vastgehouden. (Zie donkere materie deel 1)
Dan is er gravitational lensing (zwaartekracht lens). Licht dat van achter een grote massa komt wordt door de massa afgebogen. Het beeld van sterren wordt vervormd. De vervorming is veel sterker dan je met de zichtbare massa kunt verklaren.
Verder zijn er temperatuurfluctuaties in de microgolf achtergrondstraling. Het kaartje hiernaast geeft de microgolf achtergrondstraling over de hele kosmos verdeeld. Er zijn plekjes met hogere en plekjes met lagere temperatuur. Gemiddeld is de kosmische temperatuur 2,7 Kelvin (dicht bij het absolute nulpunt). Om deze verdeling van plekjes te verklaren heb je weer donkere materie nodig.
Tenslotte: Alleen met de zichtbare materie kun je niet de kosmische structuren van sterrenstelsels verklaren. Door donkere materie aan het model toe te voegen is het probleem opgelost.

Twintig jaar geleden was het algemene idee dat donkere materie de problemen in de waarnemingen van sterrenkundigen prima konden oplossen. Maar er zijn nieuwe problemen gekomen. Bijvoorbeeld:

Met donkere materie zou je een piek van dichtheid in de sterrenstelsels moeten hebben, maar de waarnemingen laten zien dat die piek er niet is.
Met donkere materie zou je veel meer “satelliet sterrenstelsels” moeten hebben, maar die zijn niet te zien. Dit zijn kleinere sterrenstelsels die om een groot sterrenstelsel heen vliegen. Om onze Melkweg zouden er honderden moeten zijn, maar er zijn er een paar dozijn. En die hebben zich verzameld in gezamenlijke vlakken. Donkere materie verklaart dit niet.
De Tully-Fisher relatie zegt dat de massa van een sterrenstelsel evenredig is met de rotatiesnelheid tot de vierde macht van de buitenste sterren. Dit is afgeleid uit waarnemingen. Maar dit wordt niet ondersteund door het donkere materie model.
Ook Renzo’s Rule: Elk kenmerk in het licht-profiel (piek of kuiltje) heeft een overeenkomend kenmerk in de rotatiegrafiek. Ook deze waarnemingsregel kun je niet verklaren met het donkere materie model.
Dan zijn er botsingen tussen sterrenstelsels op met hoge snelheid. Met donkere materie zou er wrijving ontstaan. Dus dan zouden die sterrenstelsels sterk afremmen bij de nadering van elkaar. Maar daar zie je niets van. Dit is het geval met het Bullet cluster.

Als je de donkere materie moet verlaten, dan zul je een andere gravitatietheorie moeten bedenken. De bekende gravitatiewet zou dan fout moeten zijn. Met een aangepaste gravitatiewet (modified gravity) zou je bijna alle problemen kunnen oplossen. Behalve de temperatuurverdeling van de microgolf achtergrondstraling. En met clusters van sterrenstelsels werkt het ook nog niet helemaal goed.

Donkere materie werkt dus in het ene geval beter en een aangepaste modified gravity in het andere geval. Het zou dus kunnen zijn, dat het allebei waar is. Donkere materie veronderstelt nieuwe deeltjes en modified gravity veronderstelt een nieuw gravitatieveld. In de kwantummechanica zijn deeltjes en velden uitwisselbaar. Ze hebben dus dezelfde bron. Het gedrag van de waarneming bepaalt of je beter met donkere materie kunt werken of met een nieuw gravitatieveld. Je zou het probleem moeten benaderen vanuit het oogpunt van sterk samengeperste materie. De aanwezigheid van donkere materiedeeltjes geeft sterk samengeperste materie en verandert het gravitatieveld. Het onderscheid tussen zwarte materie en een nieuw gravitatieveld valt dan weg. De vraag is nu hoe je die twee benaderingen kunt combineren!?

Dit artikel is gebaseerd op een vlog van Sabine Hosenfelder: Dark Matter: The Situation has Changed - YouTube

Meer lezen van Gerben de Jong.

Gerben de jong is voorzitter van Sterrenvereniging Astra Alteria en heeft als docent natuurkunde op het Marnix College te Ede gewerkt. Op het Marnix College en ook op de school waar hij voor het Marnix werkte heeft hij jaarlijks een clubje brugklasleerlingen begeleid die geïnteresseerd waren in sterrenkunde: de Milky Way Club. Gerben wil ons graag laten zien hoe mooi en vooral wijds de sterrenhemel is.

Afdrukken E-mailadres