Vingerafdruk van verborgen massa

Leidse wetenschappers denken donkere materie te hebben gevonden

NASAHet sterrenstelsel Andromeda. In de röntgenstraling die het stelsel uitzendt, zitten sporen van iets geks. Mogelijk is dat het eerste spoor van donkere materie.

door Bart Braun

Zo’n tachtig procent van alle materie in het heelal is zoek. Maar nu hebben sterrenkundigen wellicht de oplossing voor een van de grootste raadsels van de astronomie. ‘Als dit donkere materie is, is dat een Nobelprijs waard.’

Sterrenkundigen weten het al sinds de jaren dertig: ons begrip van het universum klopt niet. Je kan met telescopen naar de ruimte kijken, en meten hoeveel er te zien is. Dan ben je er echter niet: sterrenstelsels buigen het licht van de sterren die erachter staan af. Ze buigen het zelfs zo sterk af dat ze vijf à zes keer zo zwaar moeten zijn als wat je zou verwachten op basis van de hoeveelheid licht. Ook draaien sterrenstelsels om hun as, maar dat doen ze zo snel dat ze zichzelf uit elkaar zouden moeten slingeren – behalve als ze vijf à zes keer zwaarder zijn dan wat je ziet. 

Dan zijn er twee opties. 1. De buitenaardse natuurkunde is wezenlijk anders dan de aardse. 2. Die massa is er wel, maar is niet meetbaar. Beide opties zijn uitgebreid verkend en doorgerekend, en voor allebei ontbrak het aan bewijs. De meerderheid van de astronomen had hun geld gezet op optie twee: donkere materie. Piepkleine deeltjes die wel massa hebben, maar iets fundamenteel anders zijn dan de materie waar u en deze krant uit bestaan. Ook gaan die spookdeeltjes niet of nauwelijks interacties aan met gewone materie.

Aannemen dat donkere materie bestond, had een aantal grote voordelen: je hoefde geen nieuwe natuurkunde te verzinnen. Je kon aanwijzen waar die donkere materie zat, je wist hoe zwaar het was. Het nadeel was dat onmeetbare deeltjes niet echt een chique verklaring zijn voor je data: je kan namelijk elk experiment wel verklaren door aan te nemen dat er ontastbare krachten bestaan die zich met de uitkomst bemoeien. Het is ook zuur als je als sterrenkundige moet toegeven dat je tachtig procent van je onderzoeksgebied niet kunt vinden.

Sterrenkundigen speurden door hun telescopen naar hints over wat die donkere materie zou kunnen zijn. Natuurkundigen bouwden deeltjesversnellers, en tuurden naar de data. Geen van allen hadden succes, en de commentaren in de vakbladen werden steeds somberder. In januari opperde een fysicus van Harvard in Nature dat de zoektocht nog wel honderd jaar of langer zou kunnen duren.

Vorige week zetten twee teams van sterrenkundigen resultaten op de pre-publicatiesite ArXiv (spreek uit: archive; die X moet een Griekse letter chi voorstellen). Wellicht, mogelijk, misschien vormen die de oplossing van een van de grootste raadsels van de astronomie. Een van de teams komt uit Harvard, de andere is een Zwitsers-Oekraïens-Leids samenwerkingsverband.

Allebei de stukken gaan over röntgenspectra. Sterrenkundigen kijken niet alleen met het blote oog naar het heelal, maar proberen eigenlijk alles op te vangen dat er maar is: radiogolven, microgolven, licht en röntgenstraling. Zichtbaar licht heeft een aantal verschillende golflengtes die wij waarnemen als kleuren. Die golflengtes kun je opmeten, en zo kun je zichtbaar maken wat precies het verschil is tussen, bijvoorbeeld, een gloeilamp en de zon. Natuurkundigen zeggen dan dat een gloeilamp een ander spectrum heeft dan de zon. Op dezelfde manier heeft röntgenstraling ook een spectrum, dat je niet kunt zien maar wel meten.

De golflengtes die je meet, horen bij bepaalde natuurkundige processen. Het gele licht van gloeilampen hoort bij gloeiend wolfraam, gasvormig ijzer in ruimtewolken zendt bepaalde frequenties aan röntgenstraling uit, enzovoort. De twee sterrenkundeteams hebben een piekje in hun golflengtespectra gevonden dat vooralsnog nergens bij hoort. En dat een vingerafdruk van de verborgen massa zou kunnen zijn.

‘In het algemeen zijn er drie verklaringen als je zoiets vindt’, vertelt sterrenkundige Jeroen Franse. ‘De eerste is dat het aan je instrument ligt. Dat hebben we uitgesloten dankzij de zogeheten roodverschuiving.’ Licht dat van ver uit de ruimte komt, is roder dan licht van dichtbij. Het Leidse team vergeleek de röntgenspectra van het dichtbij gelegen sterrenstelsel Andromeda met dat van het verder gelegen cluster van sterrenstelsels Perseus. Het piekje zat in beide spectra en was roodverschoven bij Perseus.

‘Optie twee is dat het een atoomtransitie is, zoals bij ruimte-ijzer’, vervolgt promovendus Franse. ‘We weten echter niet van een transitie die sterk genoeg is om deze piek op deze plek in het spectrum te veroorzaken. Dus het zou de derde mogelijkheid kunnen zijn: donkere materie.’

Om precies te zijn denken Franse, zijn begeleider Alexey Boyarsky en hun internationale collega’s aan steriele neutrino’s. Dat zijn vooralsnog hypothetische deeltjes die nog minder met gewone massa te maken willen hebben dan de toch al preutse standaardneutrino’s, waarvan er miljarden door uw lichaam zijn gevlogen sinds u begon met het lezen van dit stuk. Als ze bestaan, kunnen ze theoretisch gezien uit elkaar vallen. Daarbij ontstaat dan een ‘gewone’ neutrino, en een piepklein beetje röntgenstraling. En het zou zomaar kunnen dat de Leidse en Harvardse piekjes precies die straling zijn.

‘Steriele neutrino’s zijn een populaire kandidaat voor donkere materie’, legt theoretisch natuurkundige Boyarsky uit. ‘Omdat er dan slechts een relatief kleine uitbreiding nodig is van het standaardmodel van de deeltjesfysica.’ Volgens die uitbreiding moeten er dan nog twee andere soorten neutrino’s bestaan, die je wel kunt opsporen met een deeltjesversneller. ‘Bij CERN, de Europese organisatie voor onderzoek naar elementaire deeltjes, wordt nu actief gesproken over dit soort onderzoek.’

Boyarsky: ‘Er kan natuurlijk altijd iets zijn waar we niet aan hebben gedacht, of iets dat we niet konden controleren met de beschikbare data. Aan de andere kant hebben de Amerikanen een heel overtuigende analyse gedaan waarin ze alle bekende mechanismen waardoor dit piekje op het spectrum kan ontstaan uitsluiten.’

Boyarsky: ‘Als het geen donkere materie is, moet dat binnen één tot drie jaar aan te tonen zijn, schat ik. En als het alle pogingen om donkere materie uit te sluiten overleeft, dan is het tegen die tijd een stuk zekerder.’
‘We moeten nog veel meer onderzoek doen om dat waar te maken’, waarschuwt Franse. ‘Dat er iets zit, is zeker, maar om te weten of het ook donkere materie is, moeten we geavanceerdere tests doen. We willen bijvoorbeeld vaststellen of de sterkte van het signaal evenredig is met de hoeveelheid donkere materie die er moet zijn. De apparatuur daarvoor gaat volgend jaar pas de ruimte in. In de tussentijd gaan we gaan niet bij de pakken neerzitten; we proberen eerst zoveel mogelijk uit de bestaande data te halen.’

Als het inderdaad raak blijkt, dan is het ook goed raak. De eerste die donkere materie vindt, kan een Nobelprijs gaan ophalen. ‘Ik ben daar vrij nuchter onder’, vertelt Franse: ‘Er zijn wel vaker mensen opgestaan die riepen dat ze donkere materie hadden gevonden, en die het toch mis bleken te hebben. Als dit donkere materie blijkt te zijn, dan is dat een Nobelprijs waard, inderdaad. Ik denk echter dat alleen de eerste auteurs de prijs mogen ophalen. Zelf ben ik al blij als ik een steentje heb bijgedragen aan dit onderzoek.’

Voorpagina

Achtergrond

Wetenschap

Studentenleven

Wonen moet je toch

Afgestudeerd psychologe Caithlin van Wissen begon een bedrijfje dat studenten helpt bij …

Rubrieken

527: Cassettebandjes

In 1963, het geboortejaar van hoogleraar Design, Culture & Society Timo de Rijk …

English page