Wie met een kritisch oog het heelal inkijkt, ziet dat er iets niet klopt. Melkwegstelsels draaien in een spiraal, en de natuurkunde voorspelt nauwkeurig hoe dat draaien eruit zou moeten zien. De buitenkant van de spiraal draait echter veel sneller dan hij volgens de sommetjes zou moeten doen.
Dan zijn er twee voor de hand liggende oplossingen. Het zou kunnen dat de som niet deugt. De natuurkunde die we gebruiken om een draaiend sterrenstelsel te beschrijven, is in essentie dezelfde als voor een deegbodem die door een pizzabakker in de lucht wordt gegooid. Een klein sterrenstelsel is echter nog altijd honderd miljard maal een miljard keer zo groot als een pizza, en het zou zomaar kunnen dat er dan andere wetmatigheden opgaan.
Optie twee is dat het sterrenstelsel zwaarder is dan het lijkt. Als je aanneemt dat er in het midden van zo’n stelsel een enorme bol massa zit, kloppen de draaisnelheden weer. Het probleem van deze aanpak is dat die massa niet te zien is. Hij geeft geen licht af, en geen warmtestraling, en is op geen enkele andere nu bekende manier direct meetbaar.
Het verzinnen van grote hoeveelheden onaantoonbare spookmaterie, uitsluitend om je som te laten kloppen, is wetenschappelijk gezien niet zoals het hoort. Als biologen vijftig jaar lang geen spoor van een dier aantreffen, beschouwen ze het als uitgestorven. Sterrenkundigen hielden echter veel langer dan vijftig jaar vast aan het idee van de donkere materie. Gelukkig voor hen kwam er wel steeds meer bewijs dat het er toch moest zijn. En niet alleen dat: de verschillende aanpakken kwamen ook op dezelfde hoeveelheid donkere materie uit. Alles dat we kunnen zien of meten, van neutrino’s tot mensen tot sterren, bestaat uit spul waarvan we weten wat het is. Daarnaast lijkt er nog ongeveer vijf à zes keer zo veel donkere materie te bestaan, en daarvan weten we niet wat het is.
‘We weten dat donkere materie wezenlijk anders moet zijn dan de materie die we kennen’, vertelt hoogleraar sterrenkunde Koen Kuijken. ‘Het is geen onderdeel van de gewone deeltjesfysica. We weten ook dat het van groot belang is. Als het er niet was, zou u er niet zijn. Zonder donkere materie is er te weinig massa in het heelal om sterrenstelsels te vormen.’
Kuijken en zijn collega Henk Hoestra presenteerden deze maand de resultaten van hun onderzoek naar donkere materie op de winterbijeenkomst van de American Astronomical Society.
Dat onderzoek maakt gebruik van een van de verschijnselen die ervoor zorgen dat sterrenkundigen denken dat die donkere materie er toch echt moet zijn. Sterrenstelsels zijn niet alleen groter dan pizza’s, ze zijn ook veel zwaarder. Zo zwaar dat ze het licht dat eromheen reist, een klein beetje afbuigen. Gravitational lensing, noemen astrofysici dat verschijnsel. Sterrenstelsels zijn veel sterkere lenzen dan je op grond van hun zichtbare massa zou verwachten, en dat maakt het verschijnsel een aanwijzing voor onzichtbare massa.
Op een scherpe, grote foto van de sterrenhemel kun je dat lens-effect meten: de stelsels zijn daar niet rond, maar een héél klein beetje langwerpig. ‘Je moet heel nauwkeurig de vorm bepalen; het is niet iets dat je met het blote oog ziet’, verduidelijkt Kuijken. De Leidenaars gebruikten een serie foto’s van de Canada-France-Hawaii-Telescope, waar een camera van 340 Megapixels aan vast zit. ‘Vijftien jaar geleden had dit nog niet gekund, maar inmiddels was de techniek ver genoeg gevorderd.’
Uit die foto blijkt hoe de donkere materie verdeeld is over het heelal. Kuijken: ‘Dat beeld, dat de materie samenklontering veroorzaakt, wil je natuurlijk ook testen. Uit de kaart die we gemaakt hebben, blijkt dat inderdaad zo te zijn: de materie is geklonterd in sterrenstelsels. Omdat je bij sterrenkunde altijd terugkijkt in de tijd, meet je ook hoe de verdeling veranderde.’ Een sterrenstelsel dat op zes miljard lichtjaar afstand staat, zie je zoals het zes miljard jaar geleden was. Het licht van toen heeft immers zes miljard jaar moeten reizen voor het bij de Hawaiiaanse telescoop aankwam. Stel je scherp op een stukje universum dat dichterbij staat, dan kijk je ook naar oudere sterren. ‘Stelsels die dichterbij staan, zijn ook meer geklonterd. Je kunt zo de film als het ware terugspelen.’
Het blijft echter wel een film waarin de hoofdrolspeler niet te zien is. Het ontmaskeren daarvan is werk voor deeltjesfysici, stelt Kuijken: ‘Dat kun je met kosmologie alleen niet verklaren. Wel moeten aantallen deeltjes en massa uiteindelijk kloppen met wat sterrenkundigen zien. Dat hele verhaal van hoe het samenklonteren verloopt, werkt bijvoorbeeld alleen met zogeheten “koude” donkere materie, en niet als die materie supersnel zou blijken te zijn.’
Zelf zal de sterrenkundige gaan werken aan een uitgebreidere versie van zijn huidige kaart. ‘Tien keer zo groot, nog scherper, meer driedimensionaal. Of het niet saai is om hetzelfde kunstje nog eens uitgebreider te doen? Nee hoor, je leert echt nieuwe dingen; niet alleen een extra cijfertje achter de komma. Bovendien: je werkt met afbeeldingen van de sterrenhemel, en die is heel erg mooi.’