Margot Brouwer tast in het duister
Zoeken naar donkere materie
Door Christien Boomsma
By Christien Boomsma
Wat is donkere materie?
Zo’n 95 procent van alle energie in het heelal is ‘zoek’. Astronomen berekenden dat deze energie er moét zijn. Maar waar? Niemand die het weet.
Dat zit zo. Sterrenstelsels draaien met een bepaalde snelheid. Hoe snel precies wordt bepaald door de zwaartekracht aan de ene kant, die de massa in een stelsel bijeen houdt. Aan de andere kant is er de middelpuntvliedende kracht, die de massa uit elkaar jaagt. De sterrenstelsels draaien echter veel te snel voor de hoeveelheid zwaartekracht die de zichtbare materie uit zou moeten oefenen. Astronomen denken daarom dat er een mysterieuze donkere materie moet zijn, die hiervoor verantwoordelijk is. Maar liefst 20 procent van alle energie in het heelal bestaat dan uit donkere materie en maar 5 procent uit normale materie.
Daarnaast is er ook nog donkere energie. Die hebben astronomen bedacht om te verklaren dat het heelal steeds sneller uitdijt. Volgens de huidige natuurwetten kan dat immers alleen maar als er een nog onbekende energiebron is die voor de versnelling zorgt. Deze donkere energie zorgt voor 75 procent van de massa van het heelal.
Er zijn astronomen die diep onder de grond in een verlaten mijngang gaan zitten. Daar zetten ze dan grote bakken met het edelgas xenon neer en een bult detectoren. Ze hopen daar, ver van alle verstoringen, deeltjes te detecteren van de geheimzinnige donkere materie die de draaisnelheid van verre sterrenstelsels verklaart.
Andere astronomen gebruiken de kilometerslange deeltjesversneller in het Zwitserse CERN. Ze laten hoogenergetische deeltjes botsen en hopen dat uit die botsingen donkere materie ontstaat.
En weer anderen speuren het heelal af op zoek naar onverklaarbare pieken in lichtdeeltjes, fotonen dus. ‘Dat is een indirecte methode. We gaan er dan vanuit dat als twee donkere materiedeeltjes botsen er normale deeltjes ontstaan. Dat zouden fotonen kunnen zijn. En als dat zo is en je detecteert op een bepaalde golflengte een onverklaarbare piek, dan kan dat een aanwijzing zijn voor donkere materie’, vertelt RUG-astronoom Margot Brouwer.
High risk, high gain
Voor haar masterthese aan de Universiteit van Amsterdam speurde zij zelf naar die pieken. Maar, ontdekte ze al snel, ze had er geen geduld voor. Ze vond immers niks, net zo min als al die collega-astronomen. ‘Dit onderzoek is high risk, high gain’, legt ze uit. ‘Als je iets vindt, dan is het meteen bám, Nobelprijs. Maar tegelijk… het is alsof je je sleutels zoekt en reken maar dat je ze pas vindt op de allerlaatste plek waar je kijkt.’
Niet dat het zinloos is, haast Brouwer zich te zeggen. Als je de sleutels vindt, zeg je ook niet dat het zinloos was om op al die andere plekken te kijken. Maar toch. ‘Toen ik na dat jaar niks had gevonden, dacht ik toch: nah, die Nobelprijs gaat aan mijn neus voorbij.’
Ze koos een methode waarmee in Leiden interessant werk wordt gedaan: gravitational lensing. Het idee is dat je geen losse deeltjes opspoort, maar gaat kijken waar in het heelal die donkere materie zich bevindt.
Gekromde ruimtetijd
‘Einstein zei al dat zwaartekracht eigenlijk het gevolg is van de gekromde ruimtetijd’, legt Brouwer uit. Licht dat lange afstanden aflegt door het heelal reist daarom niet in een rechte lijn, maar wordt afgebogen onder de invloed van zwaartekracht. ‘Hoe meer zwaartekracht, hoe meer vervorming’, zegt Brouwer.
Nah, die Nobelprijs gaat aan mijn neus voorbij
Met behulp van foto’s van de de VLT-telescoop in de Chileense Atacamawoestijn, die maar liefst 1500 vierkante graden van de hemel in beeld bracht, berekende Brouwer de vervorming van verre sterrenstelsels. ‘En daarmee breng je dan de donkere materie in kaart’, vertelt Brouwer. Het leverde weliswaar geen concrete deeltjes op, maar was allicht een stap in de goede richting.
En toen?
Toen begon het te gonzen in de wereld van de theoretische natuurkunde. Want de Amsterdamse natuurkundige Erik Verlinde had een radicaal nieuwe theorie bedacht. Eentje die stelde dat donkere materie helemaal niet bestond.
Hypothetische deeltjes
‘Kijk, er zijn goede redenen om te denken dat dit wel zo is’, benadrukt Brouwer. ‘Einsteins zwaartekrachtmodel werkt echt heel erg goed om vrijwel alle fenomenen op aarde en in ons zonnestelsel te verklaren. Tot tien cijfers achter de komma.’
Maar er zijn ook redenen om te twijfelen. Omdat we zwaartekracht ‘missen’ bijvoorbeeld, als we het gedrag van verre sterrenstelsels moeten verklaren. Dat doen we dus met hypothetische deeltjes die vooral heel veel níet zijn: ze zijn niet zichtbaar, hebben geen wisselwerking met andere materie, ze zenden geen zichtbaar licht of straling uit en reflecteren ook helemaal niets.
Zwaartekracht werkt bovendien ook niet op de schaal van elementaire deeltjes. Daarvoor hebben we de kwantummechanica bedacht, maar het is nog niemand gelukt beide theorieën samen te brengen.
Eigenlijk begreep ik er weinig van
En dan is er nog het feit dat het heelal razendsnel uitdijt. Ook dát is eigenlijk onmogelijk. Een probleem dat astronomen oplosten door de minstens zo geheimzinnige donkere energie te veronderstellen.
Zee van informatie
Verlinde kwam met een andere oplossing. ‘Hij zegt dat zwaartekracht geen echte natuurkracht is, maar enkel een gevolg van de andere krachten uit de natuurkunde. In plaats daarvan praat hij daarom over “emergente zwaartekracht”.’ Vergelijk het met hete thee, zegt Brouwer. ‘De warmte die je voelt bestaat ook niet echt, maar wordt veroorzaakt door het gedrag van de moleculen. Maar één enkel molecuul is niet warm.’
Het heelal volgens Verlinde is geen zee van deeltjes, maar een zee van informatie. Een soort fundamentele eenheden waaruit alles bestaat. En als je dat goed doorrekent, dan gedragen die informatiepakketjes zich volgens wetten die lijken op de thermodynamica.
Brouwer was aanwezig bij een lezing waar Verlinde zijn theorie presenteerde. ‘De zaal zat stampvol’, vertelt ze, ‘ik zat echt tegen de achterste muur geklemd. En eigenlijk begreep ik er weinig van. Ik ben nu eenmaal geen theoretisch natuurkundige.’
Verlindes formule
Maar toen, aan het eind, schreef hij een formule op het bord. En die formule voorspelde hoeveel donkere materie je zou moeten vinden rond normale materie. ‘Dáár werd ik enthousiast van’, zegt ze. ‘Dat kon ik testen. Ik had immers metingen van de zwaartekracht rond verre sterrenstelsels.’
Ik dacht: fuck, dit is echt heel spannend!
Ze had maar een paar dagen nodig om Verlindes formule toe te passen op haar data. ‘En verdorie, het klopte best aardig!’ zegt ze. Niet dat de ‘oude’ zwaartekrachttheorie niet werkte, maar daar moet je dus wel die hypothetische donkere materie voor toevoegen. ‘Verlindes theorie kon het doen zonder vrije parameters’, zegt ze. ‘Dus ik dacht wel even: fuck, dit is echt heel spannend!’
Sindsdien probeert Brouwer te ontdekken welke theorie het beste past bij haar data. Verlindes theorie doet het goed, maar tegelijk is er ook nog MOND – Modified Newtonian Dynamics. De aanhangers van die theorie geloven ook niet in donkere materie. Zij stellen als oplossing voor dat zwaartekracht bij lagere versnellingen wat sterk is. En dus draaien die sterrenstelsels wat sneller.
Op dit moment legt Brouwer de laatste hand aan een paper waarin ze een aantal verschillende theorieën test aan de hand van haar data over verre sterrenstelsels. Verlinde doet het daarin onverminderd goed. Maar ook MOND scoort heel aardig, zegt ze. En – toch weer – de ‘klassieke’ donkere materie.
Mooie resultaten
Helder is dat hoe verder je verwijdert raakt van van het centrum van een sterrenstelsel, hoe meer donkere materie je vindt. Maar het belangrijkste is dat er een duidelijk relatie is tussen donkere en gewone materie. ‘Dat zijn echt mooie resultaten’, zegt ze tevreden. ‘Ik ben heel benieuwd wat de gemeenschap hier straks van zegt.’
Maar een duidelijke winnaar? Nee, die heeft ze nog niet. Een beetje jammer is dat wel, want stiekem hoopt ze een beetje dat Verlinde gelijk heeft. ‘Een heel nieuw idee dat de bestaande theorie over ruimtetijd op zijn kop zet inspireert me toch het meest’, geeft ze toe. Ze grinnikt. ‘Het zou in elk geval een heleboel problemen oplossen.’