De ontdekking van donkere materie

Wetenschappelijke ontdekkingen komen meestal niet zomaar uit de lucht vallen. Maar heel soms doen ze dat wel. Vera Rubin toont in de jaren ‘60 – min of meer bij toeval – aan dat donkere materie moet bestaan. Eigenlijk doet Rubin onderzoek naar de variërende lichtsterkte van sterrenstelsels, maar dan komt ze erachter dat de sterren in de buitenste regionen van sterrenstelsels zich heel anders gedragen dan verwacht…

De sterren bewegen te snel…

Rubin’s grote doorbraak op wetenschappelijk gebied komt als ze in 1965 bij het Department of Terrestrial Magnetism van het Carnegie Institution of Washington gaat werken. Samen met Kent Ford onderzoekt Rubin waarom spiraalvormige sterrenstelsels in helderheid en structuur variëren. Ford ontwikkelt een spectograaf, een instrument dat het licht verdeelt in een spectrum. Met behulp van die spectograaf kunnen ze voor het eerst het zwakke schijnsel van ver weg staande stelsels bekijken.

Rubin denkt een verklaring voor de variërende lichtsterkte te kunnen vinden bij de rotatie van sterrenstelsels. Om dit te bevestigen kijken Ford en Rubin naar de massaverdeling en snelheden van sterren en gas in het Andromedastelsel. Maar dan komen ze tot een schokkende ontdekking. De snelheden van de sterren kloppen helemaal niet met de verwachtingen.

Zoals de aarde om de zon heen draait, draaien de sterren om het centrum van hun sterrenstelsel heen. Volgens Newton’s wetten van de zwaartekracht draait de materie in de ruimte om een centraal punt heen, omdat alle zwaartekracht bij elkaar middelpuntzoekende kracht creëert. De sterren in de buitenste regionen van een sterrenstelsel zullen dus bewegen dan de sterren dicht bij het centrum van een sterrenstelsel, omdat de zwaartekracht een kleinere invloed op ze uitwerkt. Rubin en Ford ontdekken echter dat dit helemaal niet het geval is: sterren aan de rand van sterrenstelsels bewegen helemaal niet langzamer. Ze bewegen zelfs zo snel dat ze zich eigenlijk van de rest van het stelsel zouden moeten scheuren. Er is gewoonweg te weinig massa om de benodigde zwaartekracht te creëren om de sterren in die snelheid en op hun plek te houden. Wat is er aan de hand?
Is donkere materie de verklaring?

Het antwoord van de wetenschap op dit kosmische enigma is dat er meer materie moet zijn dan we kunnen zien. Rubin onderzoekt in de jaren ’70 nog een paar dozijn spiraalstelsels, en komt tot de conclusie dat ieder stelsel omhuld en gevuld is door een bol, een ‘halo’, van donkere materie. Die materie zendt geen licht uit, strekt zich veel verder uit dan het optische deel van een stelsel, en is alles bij elkaar maar liefst 5 tot 10 keer zo zwaar als de zichtbare materie. Daarmee is Rubin de eerste die redelijk onomstotelijk aantoont dat maar liefst 90% van het heelal uit donkere materie bestaat.

De zoektocht naar wat die mysterieuze donkere materie nou precies is, is inmiddels goed op weg. Wetenschappers gebruiken ingewikkelde ruimtetelescopen en sluiten zich op in laboratoria in de spelonken van gebergten met deeltjesdetectoren, in een poging om een verklaring te vinden. Maar tot op heden hult donkere materie zich in nevelen. Er zijn wel een dozijn deeltjes die eventueel als verklaring kunnen dienen voor donkere materie, maar de consensus is ver te zoeken.

Modified Newtonian Dynamics

Er is echter nog een andere theorie ter verklaring van de hoge snelheden van sterren ver van het centrum van een sterrenstelsel af: Modified Newtonian Dynamics, waarbinnen donkere materie helemaal niet bestaat. Deze theorie stelt dat de zwaartekrachtwetten van Newton aangepast moeten worden. De snelheid van sterren die ver van het centrum van een sterrenstelsel staan, neemt dan niet proportioneel aan de afstand af zoals altijd gedacht werd. Dat betekent dat de hoge snelheden verklaard zijn zonder de hulp van donkere materie. Hoewel Modified Newtonian Dynamics niet veel wordt aangehangen, is het toch de theorie die Rubin het liefst bevestigd ziet.

Zoals Rubin zelf zei: ‘Ik vind het ironisch en grappig dat ik onderzoek doe naar iets dat niemand kan zien. Wat moeten we doen om eindelijk het overweldigend grote, donkere, deel van het universum te begrijpen? Het zou best kunnen dat deeltjesfysici een antwoord vinden met hun experimenten, of dat theoretische onderzoeken een heel nieuw begrip van zwaartekracht over grote afstanden creëren. Donkere materie leert ons dat atomen en moleculen niet het enige bouwblok van het universum zijn. Misschien zijn er wel verstopte dimensies of meerdere universa. Er is nog zo veel te leren.’

Bronnen

“Dingen die niet kloppen” volgens New Scientist

“Vera Rubin” door William Schomaker. In: Astronomy, Juni 2003, Vol. 31, Issue 6, p.18

Bio Vera Rubin bij het Carnegie Instituut

Vera Rubin’s Dark Universe

Fotomateriaal

Advertisements