Donkere materie is raadselachtig spul dat geen licht uitzendt, maar waarvan de zwaartekracht overal in het heelal meetbaar is. Een Japanse sterrenkundige denkt nu de eerste sporen te hebben gevonden. Vakgenoten hebben hun bedenkingen.
is wetenschapsjournalist. Hij schrijft voor de Volkskrant over sterrenkunde.
Tomonori Totani, hoogleraar astronomie aan de Universiteit van Tokyo, reageert in no time op zijn e-mail, ook al is het in Japan al avond. Nee, een revolutionaire doorbraak durft hij nog niet te claimen, maar dat het door hem ontdekte signaal afkomstig is van donkere materie, noemt hij wel ‘plausibel’. Deze week publiceert Totani zijn bevindingen in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.
Al sinds de jaren dertig van de vorige eeuw weten sterrenkundigen dat het heelal meer materie bevat dan er met telescopen is te zien. Ongeveer vijf keer zo veel zelfs. Dat blijkt vooral uit zwaartekrachtmetingen. Zo zijn de hoge draaisnelheden van sterrenstelsels bijvoorbeeld alleen te verklaren als die stelsels veel zwaarder zijn dan alle sterren, gas- en stofwolken en zwarte gaten bij elkaar – een ontdekking waar de radiotelescoop in het Drentse Westerbork indertijd een belangrijke rol in heeft gespeeld.
Bovendien kan al die donkere materie niet uit gewone atomen bestaan. Als dat zo was, zou de scheikundige samenstelling van het heelal namelijk anders zijn dan wordt waargenomen. Vermoedelijk gaat het om elementaire deeltjes die tot nu toe nog niet zijn ontdekt. Natuurkundigen hebben er al wel een naam voor bedacht: wimps, wat staat voor weakly interacting massive particles. Dat zijn dus zware deeltjes die nauwelijks wisselwerking met gewone materie vertonen, behalve dan via de zwaartekracht. Maar ja, wimps bestaan alleen op papier; ze zijn nog nooit ontdekt.
Niet dat er niet naar gezocht is. Grote deeltjesversnellers zoals die bij onderzoeksinstituut Cern in Genève maken er jacht op en extreem gevoelige ondergrondse meetinstrumenten, zoals de Xenon-detector in Italië, proberen ze te registreren. Tot nu toe tevergeefs. En frustrerend: het gaat om 85 procent van alle materie in het heelal en wetenschappers hebben geen idee over de ware aard van het raadselachtige spul.
Totani pakte het anders aan. Hij analyseerde de meetgegevens van de Amerikaanse ruimtetelescoop Fermi, die in 2008 is gelanceerd. Fermi bestudeert geen zichtbaar licht, maar kosmische gammastraling – de meest energierijke vorm van straling die er bestaat. Die blijkt vooral afkomstig te zijn uit een groot, min of meer bolvormig gebied rond de kern van ons Melkwegstelsel. En volgens Totani wijst dat op de aanwezigheid van donkere materie.
Maar wacht even – donkere materie zendt toch geen enkele vorm van straling uit? Klopt, maar als twee donkeremateriedeeltjes met elkaar botsen en elkaar ‘annihileren’, kunnen ze wel gammastraling produceren. Zulke botsingen vinden natuurlijk vaker plaats in gebieden waar de donkere materie door de zwaartekracht is geconcentreerd, dus bijvoorbeeld in de centrale delen van sterrenstelsels.
In een periode van vijftien jaar heeft Fermi enkele tienduizenden energierijke gammafotonen (stralingsdeeltjes) geregistreerd die afkomstig zijn uit de omgeving van het Melkwegcentrum. Als die echt zijn ontstaan bij de annihilatie van donkeremateriedeeltjes, zo rekent Totani voor, moet het gaan om wimps die minstens vijfhonderd keer zo zwaar zijn als een waterstofatoom.
Eerder is ook al eens gesuggereerd dat gammastraling uit de kern van het Melkwegstelsel afkomstig kan zijn van donkere materie, maar toen ging het om straling uit een veel kleiner gebied en met een veel lagere energie, die ook een heel andere oorsprong zou kunnen hebben. Volgens Totani is een alternatieve verklaring nu veel onwaarschijnlijker.
Is het mysterie van de donkere materie daarmee opgelost? Niet te vroeg gejuicht, waarschuwen andere onderzoekers: zo overtuigend zijn de resultaten allemaal nog niet. Volgens natuurkundige Dan Hooper van de Universiteit van Wisconsin-Madison, die Totani al hoorde spreken op een conferentie eerder dit jaar in Valencia, gaat het om uiterst ingewikkelde analyses. ‘Er bestaan heel veel andere manieren om gammastraling te produceren’, zegt hij, ‘en het is een enorme uitdaging om die allemaal uit te sluiten.’
Ook donkerematerie-expert Gianfranco Bertone van de Universiteit van Amsterdam is nog niet overtuigd. ‘De detectie van donkere materie zou een uitzonderlijke ontdekking zijn, die ook uitzonderlijk sterk bewijsmateriaal vereist’, zegt hij. ‘Dat hebben we hier nog niet.’ De vermaarde Britse kosmoloog Joe Silk wijst bovendien op een tegenstrijdigheid (die Totani in zijn artikel overigens zelf ook benoemt): als donkere materie echt de verklaring zou zijn voor de gemeten gammastraling, zou je diezelfde straling ook moeten meten in kleinere dwergstelsels en dat is tot nu toe nog niet gelukt. ‘Totani’s claim lijkt me prematuur’, concludeert Silk.
Het liefst zouden wetenschappers op z’n minst ook één onafhankelijke aanwijzing willen hebben vanuit de deeltjesfysica. Maar als donkere materie echt bestaat uit wimps die vijfhonderd keer zo zwaar zijn als een waterstofatoom, zal dat nog niet meevallen. ‘Detectoren zoals Xenon zijn daar minder gevoelig voor’, zegt de Amsterdamse deeltjesfysicus Auke Pieter Colijn, die technisch coördinator is van het Italiaanse instrument.
Zelf hoopt Totani dat het toekomstige Cherenkov Telescope Array Observatory een definitieve bevestiging zal opleveren. Dat is een aards instrument dat gammastraling registreert met een nog veel hogere energie dan wat ruimtetelescoop Fermi ‘ziet’. Het observatorium, met detectoren op het Canarische eiland La Palma en in Noord-Chili, moet rond 2030 in gebruik worden genomen. Dat is bijna honderd jaar nadat Jan Oort in Leiden en Fritz Zwicky in Californië het mysterie van de donkere materie voor het eerst aan het licht hadden gebracht. Het wordt hoog tijd voor een oplossing – daar is iedereen het wél over eens.
Luister hieronder naar onze wetenschapspodcast Ondertussen in de kosmos. Kijk voor al onze podcasts op volkskrant.nl/podcasts.
Geselecteerd door de redactie
Source: Volkskrant