Het heelal zit vol sterren, planeten en melkwegstelsels. Toch vormt alles wat we met telescopen kunnen zien slechts een klein deel van de kosmos. Astronomen denken namelijk dat ongeveer 85 procent van alle materie uit een onzichtbare stof bestaat: donkere materie.
Niemand heeft die ooit direct waargenomen, maar zonder deze mysterieuze substantie zou het universum er waarschijnlijk heel anders uitzien. Dankzij een nieuwe generatie telescopen hopen wetenschappers eindelijk te ontdekken waar donkere materie uit bestaat.
Wat is donkere materie?
Alles om ons heen bestaat uit atomen. Die zijn opgebouwd uit protonen, neutronen en elektronen. Van deze bouwstenen zijn sterren, planeten, mensen en zelfs complete melkwegstelsels gemaakt. Donkere materie lijkt echter uit iets totaal anders te bestaan. Wetenschappers vermoeden dat het gaat om onbekende deeltjes die nog nooit zijn ontdekt. Juist daarom geldt donkere materie als een van de grootste raadsels binnen de moderne natuurkunde.
Hoewel niemand donkere materie rechtstreeks kan zien of meten, is het effect ervan overal zichtbaar. Sterrenstelsels draaien veel sneller rond dan op basis van hun zichtbare massa mogelijk zou zijn. Ook wordt licht sterker afgebogen wanneer het door het heelal reist dan de bekende materie kan verklaren. Zelfs complete groepen sterrenstelsels bewegen sneller dan volgens de huidige natuurwetten verwacht mag worden. Al deze waarnemingen met alle telescopen wijzen in dezelfde richting. Er moet een enorme hoeveelheid onzichtbare materie aanwezig zijn die zwaartekracht uitoefent.
De onzichtbare lijm van het universum
Donkere materie is veel meer dan een wetenschappelijke curiositeit. Volgens kosmologen speelde deze mysterieuze stof een cruciale rol vlak na de oerknal. De zwaartekracht van donkere materie zorgde ervoor dat gewone materie zich kon samenklonteren. Zo ontstonden uiteindelijk de eerste sterren en melkwegstelsels. Ook vandaag houdt donkere materie sterrenstelsels als een soort onzichtbare lijm bij elkaar. Zonder donkere materie zou het universum zoals wij dat kennen waarschijnlijk nooit zijn ontstaan.
Hoe zoek je iets dat onzichtbaar is?
Omdat donkere materie geen licht uitzendt, kunnen astronomen er niet simpelweg een foto van maken. Daarom zoeken zij naar indirecte aanwijzingen. Een belangrijke theorie stelt dat deeltjes van donkere materie soms op elkaar botsen en elkaar vernietigen. Dat proces heet annihilatie. Daarbij zou zeer energierijke straling ontstaan in de vorm van gammastraling.
Wetenschappers vergelijken dit principe graag met PET-scans in ziekenhuizen. Bij zo’n scan botsen positronen, de antideeltjes van elektronen, met gewone elektronen. Daarbij ontstaat straling die artsen gebruiken om bijvoorbeeld tumoren zichtbaar te maken. Astronomen hopen dat donkere materie op vergelijkbare wijze een herkenbaar spoor achterlaat. Niet in een menselijk lichaam, maar verspreid door het heelal.
Een raadselachtig licht in het centrum van de Melkweg
Een van de belangrijkste instrumenten in de zoektocht is NASA’s Fermi Large Area Telescope, kortweg Fermi-LAT. Deze ruimtetelescoop onderzoekt sinds 2008 de hemel op gammastraling. Al jarenlang registreert Fermi een opvallende gloed vanuit het centrum van onze Melkweg. Dat is precies de plek waar volgens berekeningen veel donkere materie aanwezig zou moeten zijn. De vraag is alleen of die mysterieuze straling daadwerkelijk afkomstig is van donkere materie.
Er bestaat namelijk een andere verklaring. In het hart van de Melkweg bevinden zich veel snel ronddraaiende neutronensterren. Deze compacte overblijfselen van zware sterren kunnen eveneens gammastraling produceren die sterk lijkt op het verwachte signaal van donkere materie. Daardoor blijft de oorsprong van de mysterieuze gloed voorlopig onzeker.
Lees meer: Ruimtemissie Hera kan de toekomst van de mensheid veranderen
Kleine sterrenstelsels bieden nieuwe kansen
Om meer duidelijkheid te krijgen, richten onderzoekers hun aandacht steeds vaker op dwergstelsels. Dit zijn kleine sterrenstelsels die rond de Melkweg draaien. Deze systemen bevatten relatief veel donkere materie, maar juist weinig andere bronnen van gammastraling. Daardoor vormen ze een veel schonere omgeving om naar mogelijke signalen te zoeken.
Een onderzoeksteam van Clemson University publiceerde in 2024 een uitgebreide analyse van de beschikbare gegevens. Daarbij werden de nieuwste waarnemingen van Fermi-LAT gecombineerd met een verbeterde inventarisatie van bekende dwergstelsels en nauwkeurigere berekeningen van hun hoeveelheid donkere materie. De onderzoekers vonden opnieuw een klein overschot aan gammastraling. Eerdere studies zagen al vergelijkbare aanwijzingen, maar met de groeiende hoeveelheid meetgegevens lijkt het signaal steeds overtuigender te worden.
Het bewijs is nog lang niet sterk genoeg om te kunnen spreken van een ontdekking. Wel valt op dat de eigenschappen van dit signaal opvallend goed overeenkomen met de mysterieuze straling uit het centrum van de Melkweg. Als beide verschijnselen dezelfde oorzaak hebben, zou dat een belangrijke stap zijn richting het aantonen van donkere materie.
Nieuwe telescopen moeten de doorslag geven
De komende jaren kunnen beslissend worden voor het onderzoek naar donkere materie. De Fermi-ruimtetelescoop blijft gegevens verzamelen, waardoor steeds zwakkere signalen zichtbaar kunnen worden. Intussen verschijnt ook een nieuwe generatie observatoria. Een van de belangrijkste is het Vera C. Rubin Observatory in Chili. Dit observatorium zal naar verwachting veel nieuwe dwergstelsels ontdekken. Dat vergroot het aantal plekken waar astronomen gericht naar donkere materie kunnen zoeken.
Ook NASA werkt aan een veelbelovende ruimtemissie. In 2027 staat de lancering gepland van de Compton Spectrometer and Imager, beter bekend als COSI. Deze telescoop krijgt een geheel nieuwe blik op de gammastraling in onze Melkweg dan de huidige telescopen. Daarbij onderzoekt COSI onder meer een ander mysterie: een heldere gloed die ontstaat wanneer elektronen en positronen elkaar vernietigen.
Astronomen kennen dit verschijnsel al meer dan vijftig jaar, maar weten nog altijd niet waar de benodigde positronen vandaan komen. Dankzij de veel scherpere metingen van COSI hopen onderzoekers eindelijk de bron van deze straling te achterhalen. Mogelijk blijkt er zelfs een verband te bestaan met donkere materie.
Een antwoord op een fundamentele vraag
De zoektocht naar donkere materie is veel meer dan een speurtocht naar een onbekend deeltje. Het draait om de vraag waaruit het grootste deel van het universum eigenlijk bestaat. Iedere nieuwe meting levert een extra puzzelstukje op. Misschien blijken de mysterieuze signalen uiteindelijk afkomstig van donkere materie. Het is ook mogelijk dat astronomen een heel ander natuurkundig verschijnsel ontdekken dat onze kijk op het heelal ingrijpend verandert.
Terwijl ruimtevaartorganisaties zich voorbereiden op nieuwe missies naar de maan en uiteindelijk Mars, openen moderne telescopen een heel andere ontdekkingsreis. Niet naar nieuwe werelden, maar naar de onzichtbare bouwstenen van het universum. De komende tien jaar zouden wel eens kunnen bepalen of een van de grootste mysteries uit de sterrenkunde eindelijk wordt opgelost
Lees ook: 10 science-fiction films die je absoluut moet zien maar waarschijnlijk hebt gemist
Lees ook
