Zoeken naar onzichtbare waarheid

Op zoek naar de donkere kant van het heelal

Hoe doe je onderzoek naar iets waarvan je niet precies weet wat het is? Dat is de vraag waar wetenschappers, op zoek naar de waarheid achter het mysterieuze fenomeen van donkere materie en donkere energie, zich dagelijks in storten. Wat gebeurt er met je resultaten als de wetenschappelijke fundamenten waar je onderzoek op gebaseerd is anders blijken te zijn dan gedacht?

Henk Hoekstra, sterrenkundige aan de Sterrenwacht van de Universiteit Leiden, is onderdeel van het internationale team van sterrenkundigen dat onder de naam The Canada-France-Hawaï Telescope Lensing Survey onderzoek doet naar donkere materie en donkere energie. Het team bracht de verdeling van zichtbare en donkere materie in een deel van het heelal in kaart. Zo hopen ze te berekenen hoe de structuur van het heelal is ontstaan, en welke rol donkere energie speelt bij de uitdijing van het heelal. Hoe gaat dat eigenlijk, onderzoek doen naar iets dat je niet kan zien en waarvan je ook niet precies weet wat het is?

Donkere hoeken
Het team van Hoekstra liet de Canada-France-Hawaï Telescope op Mauna Kea, Hawaï met een camera van 340 Megapixels, maar liefst vijf jaar lang opnamen maken van de hemel. Op deze beelden werd naar een specifiek verschijnsel gekeken; gravitational lensing. Wat is gravitational lensing precies?

Hoekstra: ‘Het licht dat door sterrenstelsels wordt uitgezonden komt op haar weg naar de aarde vaak langs andere hemelobjecten, bijvoorbeeld clusters van melkwegstelsels. Zo’n cluster heeft een grote massa en daarom ook een grote zwaartekracht. Die zwaartekracht trekt als het ware aan het licht waardoor de baan van het licht iets afgebogen wordt. Die afbuiging wordt gravitational lensing genoemd, omdat de zwaartekracht de lichtstralen breekt zoals een lens dat ook doet.’

‘Sterrenstelsels, die normaal gesproken ongeveer rond zijn, zijn op opnamen dan in de breedte samengedrukt of juist uitgerekt. Aan de hand van deze afwijkingen kunnen we bepalen hoe groot de zwaartekracht op een bepaalde plek is, en daarmee kunnen we berekenen hoeveel massa die zwaartekracht veroorzaakt. Zo komen we tot een massaverdeling in het heelal. Maar op veel plekken blijkt veel meer massa te zijn dan we terug zien aan zichtbare materie, er zou gemiddeld maar liefst zes keer zo veel massa moeten zijn. Het meeste licht wordt dus afgebogen door het zwaartekrachtsveld van donkere materie. Zo kunnen we precies aanwijzen waar de donkere materie zich moet bevinden.’

Hoekstra vervolgt: ‘Als je die gegevens eenmaal hebt, dan kan je ook op zoek gaan naar donkere energie. We weten hoeveel zichtbare en donkere energie er is, en waar die zich bevindt. Dan is het mogelijk om berekeningen uit te voeren naar de structuren in het heelal en de manier waarop ze zijn ontstaan. We weten dat de uitdijing van het heelal in principe steeds trager zou moeten verlopen als gevolg van de zwaartekracht, maar we zien juist dat die steeds sneller gaat. Er moet dus nog een andere kracht in het spel zijn. We denken dat dit donkere energie is, en proberen nu aan te tonen welke rol donkere energie precies speelt bij de uitdijing van het heelal.

Het kosmische wrak
Het team van Hoekstra zocht niet alleen naar donkere materie en donkere energie, maar richtte haar blik ook op clusters van melkwegstelsels. ‘We zagen een afwijkende waarde in onze resultaten. We dachten oorspronkelijk dat er sprake was van ruis, maar besloten toch de Hubble ruimtetelescoop erop te zetten. Tot onze grote verassing bleken we een hele speciale opeenhoping van botsende sterrenstelsels te hebben gevonden.’

Het cluster Abell 520, al snel omgedoopt tot ‘een kosmisch wrak’, is een uitzonderlijke vondst binnen de sterrenkunde. Maar liefst vier clusters van melkwegstelsels botsen daar vanuit verschillende richtingen op elkaar. Wat dit cluster zo’n speciaal geval maakt, is dat er bijna geen sterren te zien zijn; het hele cluster bevat amper zichtbare materie. Waar donkere materie normaal gesproken altijd samen met veel zichtbare materie voorkomt, komt het nu bijna op zichzelf voor. De donkere materie heeft zich dan ook nog eens op een manier door het cluster verspreid die nog nooit eerder gezien is, namelijk een beetje aan de rand en gescheiden van de rest van het stelsel.

Wat kan een mogelijke verklaring zijn voor deze uitzonderlijke vorm van het cluster en de verhouding tussen zichtbare en donkere materie? Hoekstra: ‘Van donkere materie is sowieso nog maar weinig bekend. Dat maakt een verklaring voor het resultaat van deze botsing al snel speculatief. Misschien dat donkere materie zich niet altijd hetzelfde gedraagt. Zo zou donkere materie bij een botsing op lage snelheid misschien wel kunnen botsen op andere deeltjes, terwijl dat het bij hoge snelheden niet doet. Maar we moeten erg voorzichtig zijn met interpreteren. Gaat het bij Abell 520 om de regel, of om de uitzondering op de regel? Dat we verder helemaal geen objecten zoals deze hebben gevonden, hoeft niet per se te betekenen dat ze er niet zijn. Wat je wel kan stellen is dat dit niet is zoals je verwacht dat het heelal zich gedraagt.’

Veranderende fundamenten
Dat waarnemingen en voorspellingen tegenstrijdigheden laten zien, lijkt binnen het universum van de donkere materie eerder regel dan uitzondering. Halverwege de 20e eeuw werd het Standaardmodel ingevoerd, een complete theorie van de manier waarop interacties tussen deeltjes moet verlopen, dat tot op de dag van vandaag gebruikt wordt. Maar het Standaardmodel kraakt aan alle kanten, zo kunnen de zwaartekracht en donkere energie niet volledig verklaard worden. Binnen de wetenschappelijke wereld komen daarom uit verschillende hoeken voorstellen voor radicale andere basisideeën. En dat kan in de praktijk betekenen dat hetgene waar je onderzoek naar doet, heel anders in elkaar blijkt te zitten dan gedacht. Wat gebeurt er met je resultaten als die wetenschappelijke basisideeën, die je voor kloppend aanneemt en waar je je onderzoek op baseert, anders blijken te zijn dan je dacht?

Hoekstra: ‘Je kan onze situatie vergelijken met die van de Grieken. Zij dachten dat de aarde het centrum van het heelal was, en dat alle planeten om de aarde cirkelden. Maar dit klopt niet met hun waarnemingen, soms bewogen planeten zelfs in een totaal tegengestelde richting! Om dit te verklaren besloten ze ‘epicycles’ toe te voegen aan hun model. Planeten beschreven dan cirkelbewegingen binnen hun cirkelbeweging om de aarde. Net zoals de Grieken zijn wij nu steeds meer parameters aan ons model toe aan het voegen. Je kan je dus afvragen of er iets fundamenteel mis is met wat wij nu aan het doen zijn.’

Zo is het ook met het Standaardmodel. Wetenschappers kunnen wel verklaren op welke manier deeltjes interactie vertonen, maar niet waarom ze dat op die manier doen. Hoekstra: ‘Het kan best zijn dat ons model radicaal anders vormgegeven moet worden, maar vaak roepen nieuwe theorieën die simpel lijken in de praktijk ook weer nieuwe problemen op. Het is wachten op een model dat alles kloppend kan verklaren op een dieper niveau. Maar aan de andere kant: de sterrenkunde heeft aangetoond dat donkere materie en donkere energie bestaan aan de hand van waarnemingen. Die waarnemingen staan op zichzelf, en zullen niet achterhaald zijn als een andere basistheorie aangenomen wordt.’

De toekomst
Het team achter The Canada-France-Hawaï Telescope Lensing Survey laat zich dan ook niet afschrikken door mogelijk veranderende ideeën over het heelal, en vervolgt zijn onderzoek. De European Space Agency (ESA) heeft goedkeuring gegeven voor een nieuw project van het team. Binnenkort start de bouw van Euclid, een ruimtetelescoop waarmee nog scherpere opnamen gemaakt kunnen worden.

‘Met Euclid kunnen we een gebied bekijken dat 100 keer groter is dan het huidige onderzoek. We kijken naar de vorm en verdeling van twee miljard sterrenstelsels op 6 miljard lichtjaar weg, zodat we de groei van de structuur van de verdeling van sterrenstelsels kunnen achterhalen. Zo kunnen we meer te weten komen over de uitdijing van het heelal en hopelijk dichter in de buurt komen van een verklaring wat donkere nou precies is.’ Het duurt zeker nog tot 2019 voor Euclid operationeel kan zijn.

Advertisements