Bewijzen voor het bestaan van donkere materie

Donkere materie klinkt erg vaag. Bestaat het eigenlijk wel? Detectoren hebben nog nooit iets van donkere materie kunnen waarnemen, maar toch zijn er veel gebeurtenissen en verschijnselen in de ruimte die we niet kunnen verklaren zonder gebruik te maken van de aanname dat er donkere materie moet zijn.

Rotatiecurve van sterrenstelsels

Voor spiraalstelsels zoals de Melkweg kunnen we de massa van het gehele stelsel afleiden door de bewegingen van sterren en gaswolken in de schijf te bekijken terwijl ze ronddraaien. De rotatiecurve van een sterrenstelsel laat zien hoe de snelheid van sterren rond het midden varieert naarmate de afstand van het centrum toeneemt. Uit de tweede wet van Kepler volgt dat de rotatiesnelheden zullen afnemen als de afstand tot het centrum groter wordt, net als de planeten in ons Zonnestelsel. Maar dat is niet wat we zien. In plaats daarvan zien we dat de rotatiecurve juist min of meer vlak loopt. Wanneer er echter ruim tien keer zoveel massa aanwezig zou zijn, zou dit probleem er niet zijn en zou de rotatiecurve zoals we deze waarnemen ook te verklaren zijn. Het eerste bewijs dat er materie moet zijn dat wij niet zien: donkere materie.

Snelheidsverandering van sterrenclusters

De Zwitserse sterrenkundige Fritz Zwicky onderzocht de snelheidsverandering van sterrenstelsels binnen sterrenclusters. Dat deed hij door te kijken naar doppler-verschuivingen om zo de massa te bepalen. Maar, op enkele uitzonderingen na, komen de schattingen van de snelheidsverschillen van elliptische sterrenstelsels niet overeen met de voorspelde snelheidsverandering op basis van de gemeten massa. Ook dit is een indicatie voor het bestaan van donkere materie.

De structuurvorming van het Heelal

Structuurvorming vond plaats in de periode na de Oerknal toen sterren, sterrenstelsels en clusters werden gevormd. Voor deze structuurvorming zou het Heelal volgens de uitkomsten van de Friedmannvergelijkingen homogeen moeten zijn. Later ontstonden langzamerhand kleine dichtheidsverschillen waardoor er de eerste sterren, sterrenstelsels en grotere structuren konden ontstaan. De gewone materie kon door de dichtheidsverschillen verder samentrekken door afkoeling. Als een voorwerp (dus ook een ster) warm wordt, zendt het straling uit en verliest het daardoor energie. Donkere materie kan echter geen straling uitzenden. Om de eerste sterren echt te kunnen laten ontbranden is er dus essentieel dat er niet teveel energie verloren gaat. Ook hier biedt donkere materie de oplossing.

Bullet Cluster

Het Bullet Cluster is na de Oerknal, de grootste explosie in het. Twee groepen van sterrenstelsels vlogen op elkaar af en knalden miljarden jaren geleden op elkaar. Terwijl het gas en de sterren van normale materie botsten en hun snelheid omzetten in een explosie, zweefden de donkere materiedeeltjes gewoon door de botsing heen.

Bij het Bullet Cluster verschilt het zwaartepunt enorm van het zwaartepunt van alleen de gewone materie in het cluster.

Dat kunnen we echter prima verklaren als er donkere materie zou zijn. Met andere woorden: als er geen donkere materie zou zijn, dan zouden de zwaartekrachtstheorie en de algemene relativiteitstheorie niet kloppen. En deze theorieën zijn al tot in den treure en op allerlei mogelijke manieren bewezen.

Kosmische microgolf-achtergrondstraling (CMB)

Donkere materie zendt geen straling uit, maar heeft wel invloed op de kosmische microgolf-achtergrondstraling (CMB). De CMB heeft zeer kleine gebiedjes met heel kleine temperatuurverschillen. We praten dan over ongeveer 1:100 000 gebiedjes. Een luchtkaart van dichtheid kan worden omgezet in een hoekig vermogensspectrum, waarbij we kunnen zien dat deze pieken op een vrijwel gelijke afstand van elkaar staan maar verschillend zijn in hoogte. Vanuit deze pieken kunnen we berekenen dat het Heelal ongeveer vijf keer zoveel donkere materie zou moeten hebben als gewone materie tot na de Oerknal waterstof werd gevormd. Als we al deze gegevens combineren met metingen van supernovae en de clustering van sterrenstelsels, leidt dit ertoe dat het Heelal uit ongeveer 73% donkere energie bestaat, uit ongeveer 23% donkere materie en dat er slechts 4% normale materie aanwezig is.

Er zijn dus heel veel indirecte waarnemingen gedaan van donkere materie. Het gegeven dat donkere materie niet direct waargenomen is, betekent dus niet dat het niet bestaat. Hopelijk vindt men in de nabije toekomst een direct bewijs voor donkere materie!