Er is in heet heelal veel donkere materie aanwezig. Maar liefst 27% van het universum bestaat uit donkere materie. In vergelijking is het percentage normale materie slechts 4%. De rest is allemaal donkere energie. Maar hoe kan 27% van het heelal bestaan uit donkere materie? We kunnen het niet eens zien. Is donkere materie dan misschien gemaakt van zwarte gaten? Het korte antwoord is waarschijnlijk niet.

Wat is donkere materie en hoe is dit ontdek?

Donkere materie is normale materie alleen kunnen we het niet zien, dus donker. Dit werd ontdekt door astronomen die naar sterrenstelsels keken. Ze zagen dat sterren ver buiten het centrum van het stelsel niet bewogen zoals ze horen te bewegen.

Toen astronomen naar sterrenstelsels keken viel hen iets op wat niet te verklaren was. Sterren ver van het centrum van het sterrenstelsel bewegen net zo snel als sterren die dichterbij het centrum van het sterrenstelsel staan. Dit is gek. Hoe verder een ster van het centrum vandaan is, hoe langzamer deze zou moeten bewegen. Op een grotere afstand is er namelijk een kleinere zwaartekracht. Dit is te vergelijken met de Aarde en andere planeten in het zonnestelsel. Omdat de Aarde dichter bij de Zon staat dan bijvoorbeeld Jupiter, heeft de Aarde ook een grotere snelheid dan Jupiter.

De snelheid van sterren in spiral galaxy Messier 33 (gele and blauwe punten met foutmarges), en voorspelling aan de hand van de distributie van de zichbare materie (grijze lijn). Het verschil tussen de twee lijnen kan verklaard worden door het toevoegen van een donkere materie halo rondom het sterrenstelsel. Credit: Mario De Leo. Dit bewijst de aanwezigheid van donkere materie.
De snelheid van sterren in spiral galaxy Messier 33 (gele and blauwe punten met foutmarges), en voorspelling aan de hand van de distributie van de zichbare materie (grijze lijn). Het verschil tussen de twee lijnen kan verklaard worden door het toevoegen van een donkere materie halo rondom het sterrenstelsel. Credit: Mario De Leo.

Er is dus extra massa nodig om de sterren die ver weg staan van het centrum met de waargenomen snelheid te kunnen laten bewegen. Immers hoe meer massa, hoe groter de aantrekkingskracht en dus een grotere snelheid. Deze extra massa konden astronomen echter niet waarnemen. Toch wisten ze dat deze materie er wel moest zijn om alles te laten kloppen.

Deze onzichtbare materie kreeg de naam donkere materie. De volgende vraag is een logisch vervolg. Waar is deze donkere materie dan van gemaakt? Omdat je het fenomeen donkere materie veel op zwarte gaten lijkt, wordt de volgende vraag vaak gesteld: Is donkere materie gemaakt van zwarte gaten?

Waar is donkere materie van gemaakt?

WIMP

De leidende hypothese is dat donkere materie een elementair deeltje is at nog niet ontdekt is. Elementaire deeltjes zijn de legoblokken waar alles van is gemaakt. Dit nieuwe elementaire deeltje heeft de naam ´Weakly Interacting Massive Particles´ (WIMP) gekregen.

Deze naam stamt af van het feit dat donkere materie geen interactie vertoont met normale materie en licht. Dit deeltje zou eventueel gevonden kunnen worden met de ´Large Hadron Collider´. Hier worden deeltjes met hoge snelheden op elkaar gebotst waarna er nieuwe deeltjes ontstaan. Deze deeltjesversneller heeft echter nog geen bewijs gevonden voor het bestaan van een deeltje dat donkere materie kan verklaren.

Daarom doen natuurkundige nu experimenten met de ongelooflijk zeldzame botsingen tussen normale materie en donkere materie. Dit gebeurt ondergronds in enorme mijnen vol met vloeistoffen. Helaas heeft ook dit experiment nog geen resultaten geboekt. Hoewel het ontbreken van bewijs op zichzelf nog niks ontkracht, zet het wel aan het denken. Wat kan donkere materie dan wel zijn?

In de Large Hadron Collider worden deeltjes met bijna de snelheid van het licht in botsing gebracht in de hoop nieuwe deeltjes te vinden die misschien wel donkere materie verklaren. Credit: CERN.
In de Large Hadron Collider worden deeltjes met bijna de snelheid van het licht in botsing gebracht in de hoop nieuwe deeltjes te vinden. Credit: CERN

MACHO

De volgende hypothese is dat donkere materie objecten kunnen zijn die er wel zijn, maar geen licht uitzenden. Wij zouden hierdoor geen idee hebben dat de objecten bestaan. Deze deeltjes heten dan ook ´MAssive Compact Halo Objects´ (MACHO). Hieronder vallen onder andere zwarte gaten, neutronen sterren en planeten die los door het universum vliegen. Deze objecten kunnen we wel aantonen door middel van lensing. Wanneer het object voor een ster langs gaat, gedraagt het zich als een lens. Het buigt de ruimte om zich heen en focust hierdoor het licht van de achterliggende ster. Dit heeft als gevolg dat de ster voor een korte tijd net iets helderder is dan normaal.

Licht achter een zwaar object wordt om dat object heen gebogen. Deze lensing is hierboven goed te zien. Het achterliggende object wordt nu tot een ring gebogen.
Licht achter een zwaar object wordt om dat object heen gebogen. Deze lensing is hierboven goed te zien. Het achterliggende object wordt nu tot een ring gebogen.

Deze gebeurtenissen worden micro lensing genoemd. Als er wordt gekeken naar hoeveel sterren en MACHO´s zich waar bevinden, geeft dit een voorspelling. Echter is het aantal evenementen dat we waarnemen minder dan de voorspelde hoeveelheid. Het aantal evenementen dat we zien verklaart maar 20% van de totale hoeveelheid donkere materie.

Dit is al in de jaren 90 van de vorige eeuw gedaan. Dit is dan ook de reden dat het idee van MACHO´s al snel werd vergeten. Maar nu er nog steeds geen bewijs is gevonden voor het WIMP deeltje, wordt deze theorie weer bezocht. En zeker ook nu zwaartekrachtgolven worden gedetecteerd door LIGO. Dit detecteerde zij voor het eerst in 2015, bijna precies honderd jaar nadat Einstein dit fenomeen voorspelde.

Wil je weten wat het meest voorkomende zichtbare element in het heelal is? Het volgend artikel geeft antwoord op die vraag:

Wat is het meest voorkomende element in het heelal?

Wat zijn zwaartekrachtgolven?

Einstein deed zijn voorspellingen over zwaartekrachtgolven aan de hand van zijn algemene relativiteitstheorie. Deze theorie probeert uit te leggen wat zwaartekracht is. De theorie zegt dat elke massief object de ruimte om zich heen kromt. Het is alsof er een bal op je bed ligt. De vervormd de ruimte om zich heen. Als je hier een knikker in laat vallen zal deze eerst om de bal heen draaien en uiteindelijk tegen de bal aan gaan. Licht dat langs een zwaar object gaat wordt op dezelfde manier afgebogen.

Je kan je wel voorstellen dat wanneer je twee hele zware objecten als zwarte gaten hebt, de ruimte heel erg wordt vervormd. Dit gebeurt zo erg dat deze zwarte gaten een golf veroorzaken die zich door de ruimte beweegt. Deze golf is precies wat door LIGO werd gedetecteerd in 2015. Het 1.000 man tellende team dat dit signaal detecteerde waren geschokt. De manier waarop deze golf zich gedroeg, was precies hoe ook wordt voorspelt volgens een model gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Na maanden zoeken naar andere mogelijkheden voor het signaal, bracht het team het nieuwe naar buiten dat ze twee samensmeltende zwarte gaten hebben gevonden.

Dit is de data van de eerste waarneming van 2 twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien. Credit: LIGO
Dit is de data van de eerste waarneming van 2 twee zwarte gaten die om elkaar heen draaien. Credit: LIGO

Is donkere materie gemaakt van zwarte gaten

Wat de detectie van LIGO nog verbazingwekkender maakte is dat niemand had verwacht dat de gevonden zwarte gaten 30 keer zo zwaar als de Zon waren. Normaal ontstaan zwarte gaten wanneer sterren supernova gaan. Dit is een gebeurtenis aan het einde van de levenscyclus van een ster waarbij de ster de buitenste laag van zich afblaast waardoor alleen de kern overblijft. Als deze kern zwaar genoeg is, stort het in tot een zwart gat. Deze zwarte gaten zijn alleen geen 30 keer zo zwaar als de Zon maar slecht 1 tot 3 keer zo zwaar. Daarnaast heb je voor de detectie van de zwaartegolven niet één zwart gat maar twee nodig. Deze onverwachte massieve zwarte gaten deden weer de vraag op of donkere materie niet van zwarte gaten is gemaakt.

Een zwaartekrachtgolf wordt gevormd wanneer de zware objecten om elkaar heen draaien. Credit: R. Hurt/Caltech-JPL
Een zwaartekrachtgolf wordt gevormd wanneer de zware objecten om elkaar heen draaien. Credit: R. Hurt/Caltech-JPL

Binnen een paar maanden van de publicatie van de zwaartegolven deden onderzoekers al nieuwe ontdekkingen. Twee verschillende onderzoeksteams deden een soortgelijk onderzoek. Zij zeiden, stel nou dat donkere materie inderdaad gemaakt is van zwarte gaten en dat ze zo zijn verdeeld in de ruimte als dat we verwachten, hoe vaak wordt dan verwacht dat twee zwarte gaten om elkaar draaien en uiteindelijk samensmelten. De wetenschappers vonden dat 3 keer per een bepaalde afstand zou moeten gebeuren. Dit komt overeen met voorspellingen van het LIGO team van het aantal gebeurtenissen dat zij zouden detecteren. Hierdoor vroegen mensen zich af of de door LIGO gedetecteerde zwarte gaten niet de donkere materie verklaren.

Waar komen deze zwarte gaten dan vandaan?

De experimenten van LIGO verklaren echter nog niet waar de massa van deze zwarte gaten vandaan komt. De voornaamste verklaring is nu dat deze zwarte gaten primordiale zwarte gaten zijn. Deze zijn in het begin van het ontstaan van het universum gevormd. Deze vorming gebeurde niet door het ineenstorten van sterren, maar door kleine hoeveelheden materie heel dicht bij elkaar.

Onthoudt dat dit helemaal in het begin van het universum was en dat nu niet meer kan gebeuren. In 1966 werden deze soort zwarte gaten al voorspeld. In 1971 liet Stephen Hawking zien dat deze gaten zo licht als 10 nanogram kunnen zijn of zo zwaar als tien keer de massa van de Zon.

Hierdoor zijn er nu theoretische astrofysici die denken dat deze primordiale zwarte gaten de donkere materie zou kunnen zijn. Er is echter veel meer bewijs dat primordiale zwarte gaten geen donkere materie zijn. Deze vroeg ontstane zwarte gaten hebben een invloed op hoe het heelal er nu uitziet. De kosmische achtergrond straling, de echo van de oerknal, sluit uit dat er zoveel massieve primordiale zwarte gaten zijn. Deze zwarte gaten zouden een effect hebben op de kosmische achtergrondstraling. Dit zien we echter niet.

Daarnaast komt het niet overeen met de gedachte dat er veel donkere materie in het centrum van sterrenstelsels is. Is het centrum bevindt zich veel gas. Deze gassen zouden moeten worden aangetrokken door de zwarte gaten. Hierdoor wordt het gas warm en zendt het röntgenstraling uit. Deze röntgenstraling zien we echter niet genoeg in het centrum van sterrenstelsels.

De laatste test voor zwarte gaten als donkere materie

Ondanks dat er veel astronomen denken dat donkere materie niet gemaakt is van zwarte gaten, denken sommige nog steeds van wel. Deze wetenschappers hebben daarom nog één test om uit de kast te halen voordat ze deze hypothese laten varen.

Bij deze laatste test kijken ze naar snelle radiosignalen afkomstig van andere sterrenstelsels. Deze straling is ontzettend helder en duren maar een paar milliseconden. Er is momenteel nog geen duidelijk beeld wat deze straling veroorzaakt. Wel is duidelijk dat als er een zwart gat tussen ons en deze bron van radiostraling zit, het zwarte gat weer zorgt voor lensing. Hierdoor ontvangen wij het signaal met met daarna een kleien echo. Dit gebeurt alleen als het zwarte gat zwaar genoeg is, 30 keer de massa van de Zon.

De radiosignalen zijn wellicht afkomstig van speciale sterren genaamd Pulsars die hier zijn weergegeven. Credit NASA. Over 10 jaar kan met de radiosignalen worden nagegaan of zwarte gaten donkere materie kunne verklaren.
De radiosignalen zijn wellicht afkomstig van speciale sterren genaamd Pulsars die hier zijn weergegeven. Credit NASA

Momenteel wordt deze data volop verzamelt. Als donkere materie is gemaakt van zwarte gaten, dan zouden we van elke duizend gemeten radiosignalen, 10 verwachten met een echo. Dit kan helaas pas over 10 jaar worden uitgezocht. Net als de zoektocht naar het WIMP deeltje gaat dit dus nog wel even duren.

Conclusie

Door te kijken naar sterrenstelsels is ontdekt dat er extra materie moet zijn dat we niet kunnen waarnemen. Deze extra materie wordt donkere materie genoemd. Waar is deze donkere materie dan van gemaakt? Omdat donkere materie een aantal eigenschappen overeen heeft met zwarte gaten wordt door sommige gedacht dat zwarte gaten de oplossing zijn. Echter is er ook een andere mogelijkheid. Het WIMP deeltje. Er is echter nog geen bewijs gevonden voor dit deeltje.

Nu LIGO zwaartekrachtgolven detecteert, is de vraag: Is donkere materie gemaakt van zwarte gaten? weer helemaal in. Hier zitten echter wel een aantal problemen aan vast. Om alles uit de kast te halen kijken onderzoekers nu naar snelle radiosignalen van andere sterrenstelsels. Over 10 komen we misschien een stapje dichter in buurt van de beantwoording van die ene vraag. Waar is donkere materie van gemaakt?

Lees meer over zwarte gaten in:
De onbegrijpelijke wereld van zwarte gaten
Heb je je altijd al afgevraagd wat er gebeurt als de Zon in een zwart gat zou veranderen?
De zon verandert in een zwart gat, wat nu?