Donkere materie, WATJES en MACHO’s in het heelal

De Nederlander Jan Oort en de Zwitser Fritz Zwicky ontdekten, onafhankelijk van elkaar, het bestaan van donkere materie in het heelal. Deze donkere materie blijkt van vitaal belang te zijn om te verklaren hoe sterren bij elkaar blijven binnen een sterrenstelsel, zoals onze eigen Melkweg. Maar ook om te verklaren hoe groepen sterrenstelsels bij elkaar blijven binnen clusters. De aard van deze donkere materie is echter, nu al meer dan 80 jaar, grotendeels een raadsel. Ondertussen moeten de naamgevers heel wat lol hebben gehad bij het benoemen van de verschijnselen die ze hebben kunnen thuisbrengen als MACHO’s en WIMPS (watjes.)

Verstoringen in de zwaartekracht

Sinds de ontdekking van Neptunus, in 1846, is de ontdekking van nieuwe astronomische verschijnselen aan de hand van verstoringen in het zwaartekrachtsveld een beproefde methode. In 1932 doet de Nederlander Jan Oort (1900-1992) op deze wijze een spectaculaire en, aanvankelijk, omstreden ontdekking. Uit zwaartekrachtmetingen leidt hij af dat er in de omgeving van de zon maar liefst twee keer zoveel materie voor moet komen als met telescopen is ontdekt.

Verticale bewegingen door de Melkweg

Oort ontraadselde eind jaren ’20 de rotatie en innerlijke dynamiek van ons eigen Melkwegstelsel. Daarin ging het echter om het in kaart brengen van de bewegingen die sterren maken in het platte, schijfvormige vlak van onze Melkweg. Voor bewegingen loodrecht op dat vlak - van boven naar beneden en andersom - heeft hij dan nog geen verklaring. Totdat hij zich begin jaren ‘30 realiseerde dat hier misschien de oplossing lag voor de oplossing van het raadsel van de dichtheid en het gewicht van het Melkwegstelsel.

Snelheid, afstand en dichtheid

Het principe is eenvoudig. Wil een ster zich loodrecht door het schijfvormige vlak van de Melkweg heen bewegen, bijvoorbeeld van boven naar beneden, en hij moet tijdens zijn traject heel veel materie doorkruisen, dan moet hij een zeer grote snelheid hebben. Bij een lage materiedichtheid – en dus een zwakker zwaartekrachtsveld – kan een ster juist een grote verticale afstand overbruggen met maar geringe snelheid.

Ruimte met een raadselachtig grote massa

Oort verzamelde informatie over de posities en snelheden van een groot aantal sterren in de omgeving van de zon. Uit deze gegevens berekende hij een gemiddelde materiedichtheid in dit gebied van één zonsmassa in 375 kubieke lichtjaar. Dat is een denkbeeldige kubus met randen zo groot dat het licht er 375 jaar over zou doen om er langs te reizen. Zo’n kubus weegt dan evenveel als onze zon en dat komt neer op zo’n twee quintiljoen kilo, oftewel een 2 met 30 nullen. Dat bleek meer dan twee keer zoveel te zijn als het gewicht van alle bekende sterren in de omgeving van de zon! Hij concludeerde daaruit dat er veel meer massa aanwezig moet zijn dan we met telescopen kunnen waarnemen.

Donkere materie

In zijn publicatie hierover in 1932 gebruikte Oort als één van de eerste de term ‘donkere materie’. Een jaar later ontdekt de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky (1898-1974), op dat moment werkzaam in Californië, dat ook elders in het heelal enorme hoeveelheden donkere materie moeten voorkomen. Namelijk, niet rond een enkele ster, zoals onze zon, maar tussen hele sterrenstelsels in, zoals onze Melkweg er één van is. Dus ook op de bijna onvoorstelbaar grote schaal van clusters (groepen sterrenstelsels) bevinden zich hoeveelheden donkere materie. Deze overschrijden het totale gewicht van de sterrenstelsels zeker tien maal. Met de aanwezigheid van deze donkere materie kon de beweging, en het bijeen blijven, van sterrenstelsels binnen een cluster verklaard worden. Zonder de aantrekkingskracht van donkere materie zouden de stelsels losraken van elkaar en zelf uiteenvallen. Deze mysterieuze materie heft dus ook een vitale functie in het bewaren van de integriteit van clusters, sterrenstelsels en zo van alles wat van deze grote structuren afhangt: miljarden sterren en planeten, waaronder ook de onze.

MACHO’s zonder uitstraling

De donkere materie van Oort bestaat voor een deel uit zwakke dwergsterren – die nauwelijks nog licht geven, maar wel heel zwaar zijn – en interstellaire wolken bestaande uit gas en stof. De donkere materie die Zwicky ontdekte, bestaat voor een deel uit zeer heet ijl gas dat zich in de donkere ruimte tussen sterrenstelsels bevindt en waarvan de temperatuur wordt gemeten in miljoenen graden. Ter vergelijking, de temperatuur van het oppervlak van onze zon wordt gemeten in duizenden en tienduizenden graden. Alleen z’n kern heeft een temperatuur die in de miljoenen loopt. Daarnaast bestaat ze uit ‘gewoon’ materiaal – zoals zwarte gaten, bruine dwergen en zogenaamde MACHO’s (Massief Compact Halo Object) – dat weinig of geen licht of andere straling uitzendt.

WIMPS, watjes zonder ruggengraat

Dat alles tezamen verklaart echter niet alle donkere materie op deze grote schaal. In de jaren ’70 en ’80 ontdekken sterrenkundigen dat het heelal ook enorme hoeveelheden donkere materie bevat die niet uit gewone atoomkernen bestaat, zoals alle materie die we kennen. Zogenaamde WIMPS, Weakly Interacting Massive Particles, een soort massadeeltjes zonder ruggengraat, zoals de naamgevers atoomkernen kennelijk opvatten. Deze donkere materie, en het extreem hete gas, strekt zich rond elke sterrenstelsel uit als een enorme halo, vele malen groter dan het stelsel zelf, en wordt galactische corona genoemd. Wat de aard van deze raadselachtige materie precies is, weet men op dit moment nog steeds niet. In een poging om daarachter te komen is in het Engelse Yorkshire een apparaat diep onder de grond geplaatst om deze ongrijpbare donkere materiedeeltjes te betrappen op interactie met normale atomen, zodat indirect iets over hun aard gezegd kan worden.