Het grootste deel van ons heelal is verborgen in het volle zicht. Hoewel we het niet kunnen zien of aanraken, zeggen de meeste astronomen dat het grootste deel van de kosmos bestaat uit donkere materie en donkere energie. Maar wat is dit mysterieuze, onzichtbare spul dat ons omringt? En wat is het verschil tussen donkere energie en donkere materie? In het kort: donkere materie vertraagt de uitdijing van het heelal, terwijl donkere energie die juist versnelt.
Donkere materie werkt als een aantrekkende kracht – een soort kosmisch cement dat ons heelal bij elkaar houdt. Dat komt omdat donkere materie wel reageert met de zwaartekracht, maar geen licht weerkaatst, absorbeert of uitzendt. Ondertussen is donkere energie een afstotende kracht – een soort anti-zwaartekracht – die de steeds snellere expansie van het heelal aandrijft.
Donkere energie is de veel dominantere kracht van de twee, goed voor ruwweg 68 procent van de totale massa en energie van het heelal. Donkere materie is goed voor 27 procent. En de rest – een miezerige 5 procent – is alle gewone materie die we elke dag zien en waar we mee te maken hebben.
Dark Matter
In de jaren dertig bestudeerde de in Zwitserland geboren astronoom Fritz Zwicky beelden van de ruwweg 1000 sterrenstelsels die samen de Coma-cluster vormen – en hij merkte iets vreemds op aan hun gedrag. De sterrenstelsels bewogen zo snel dat ze eigenlijk uit elkaar zouden moeten vliegen. Hij speculeerde dat een soort van “donkere materie” ze bij elkaar hield.
Decennia later vonden de astronomen Vera Rubin en Kent Ford een soortgelijk verschijnsel toen ze de rotatiesnelheden van individuele sterrenstelsels bestudeerden. De sterren aan de buitenrand van een sterrenstelsel zouden langzamer moeten draaien dan de sterren in het centrum. Dat is de manier waarop planeten in ons zonnestelsel ronddraaien. In plaats daarvan zagen zij dat de sterren aan de rand van een sterrenstelsel net zo snel – of sneller – ronddraaien dan de sterren dichter bij het centrum. Rubin en Ford hadden meer bewijs gevonden dat een onzichtbare vorm van materie het heelal bijeenhoudt.
“Zelfs sterren in de periferie draaien met hoge snelheden rondjes,” legde Rubin ooit uit in een interview met Discover. “Er moet veel massa zijn om de sterren zo snel rond te laten draaien, maar die kunnen we niet zien. We noemen deze onzichtbare massa donkere materie.”
Astronomen hebben nu vele andere lijnen van bewijs die suggereren dat donkere materie echt is. Het bestaan van donkere materie wordt zelfs zo algemeen aanvaard dat het deel uitmaakt van het zogenaamde standaardmodel van de kosmologie, dat de basis vormt van hoe wetenschappers het ontstaan en de evolutie van het heelal begrijpen. Zonder dit model kunnen we niet verklaren hoe we hier zijn gekomen.
Maar die verheven status zet kosmologen onder druk om definitief bewijs te vinden dat donkere materie bestaat en dat hun model van het heelal correct is. Decennialang hebben natuurkundigen over de hele wereld steeds geavanceerdere instrumenten gebruikt om te proberen donkere materie op te sporen. Tot nu toe hebben ze er geen tekenen van gevonden.
Lees meer: Terwijl de jacht zich voortsleept, gaan natuurkundigen op zoek naar de lichtste donkere materie
Donkere Energie
Astronomen weten nu al ongeveer een eeuw dat ons heelal uitdijt. Telescopische waarnemingen hebben aangetoond dat de meeste sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen, wat impliceert dat de sterrenstelsels in een ver verleden dichter bij elkaar stonden. Daardoor stapelden de bewijzen voor de oerknal zich op. Astronomen gingen er echter van uit dat de gecombineerde zwaartekracht van alle sterren en sterrenstelsels in de kosmos de uitdijing van het heelal zou moeten vertragen. Misschien zou het zelfs op een dag weer in zichzelf instorten in een Big Crunch.
Dat idee werd eind jaren negentig echter overboord gegooid, toen twee teams van astronomen iets opmerkten dat nergens op sloeg. Onderzoekers die supernova’s in de verste sterrenstelsels bestudeerden, ontdekten dat verre sterrenstelsels zich sneller van ons verwijderden dan nabije sterrenstelsels. Het heelal was niet alleen aan het uitdijen – de uitdijing was aan het versnellen.
“Mijn eigen reactie houdt het midden tussen verbazing en afschuw,” vertelde astronoom Brian Schmidt, die een van de twee teams leidde, in 1998 aan The New York Times. “Verbazing, omdat ik dit resultaat gewoon niet had verwacht, en afschuw omdat ik weet dat het waarschijnlijk door de meerderheid van de astronomen niet zal worden geloofd – die, net als ik, extreem sceptisch staan tegenover het onverwachte.”
Maar in plaats van het te weerleggen, hebben latere waarnemingen het bewijs voor donkere energie alleen maar sterker gemaakt. In feite accepteren sommige prominente critici van donkere materie nog steeds het bestaan van donkere energie.
Lees meer: How Will the Universe End?
Nou, dat betekent niet dat onderzoekers weten wat donkere energie is. Verre van dat. Maar ze kunnen de rol ervan in het heelal beschrijven, dankzij de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein. Einstein wist niet van donkere energie, maar zijn vergelijkingen suggereerden dat er nieuwe ruimte kan ontstaan. Hij voegde ook een factor in de relativiteit toe, de kosmologische constante, die hij toevoegde – en later betreurde – om te voorkomen dat het heelal naar binnen zou storten. Dit idee maakt het mogelijk dat de ruimte zelf energie heeft. Wetenschappers hebben deze kracht echter nog nooit op aarde waargenomen.
Sommige theoretische natuurkundigen denken dat er een heel duister rijk van deeltjes en krachten bestaat, dat erop wacht om ontdekt te worden. Waar donkere energie en donkere materie ook van gemaakt zijn, ze lijken te touwtrekken met ons universum – zowel om het bij elkaar te houden als om het uit elkaar te trekken.