De olifant in het universum - Govert Schilling
Wetenschapsjournalist Govert Schilling – wie kent hem niet? – schreef een razend interessant boek over wat hij de olifant in het universum noemt, donkere materie. Wat is donkere materie, hoe kwamen we op dat idee, kunnen we het vinden en doet het inderdaad wat we denken dat het doet? Daarover gaat dit boek, geschreven voor de geïnteresseerde leek, hoewel, zo blijkt tijdens lezing geregeld, die leek wel van wanten moet weten.
Om de massabalans van het universum sluitend te maken en om te kunnen verklaren waarom het universum is zoals het is, moet er zoiets als donker spul zijn. We weten dat dat spul niet uit atomen en moleculen bestaat want dan konden we het wel waarnemen of meten. Maar wat het wel is, dat weten we niet. Daarnaast is er ook nog zoiets als donkere energie, een concept dat we nodig hebben om te kunnen verklaren waardoor het heelal steeds sneller uitdijt.
Bij de oerknal ontstond een hete plasma, een mengsel van elektrisch geladen deeltjes. Toen deze oersoep na circa 380.000 jaar voldoende was afgekoeld ontstonden atomen en werden straling en materie ontkoppeld. De straling plantte zich voort door de leegte en de materie bleef achter. De gebeurtenissen vanaf de oerknal bepaalden de huidige grote-schaalstructuur van het heelal. Schilling: donkere materie is een deeltje dat reageert op zwaartekracht maar niet op de overige fundamentele natuurkrachten; een deeltje dat niet gekoppeld is aan het hete stralingsbad in het vroege heelal en dat traag of ‘koud’ genoeg is om te kunnen samenklonteren tot een onzichtbaar geraamte. Koude donkere materie. Dit fundamentele concept is tot de dag van vandaag overeind gebleven. Maar er wordt aan getornd.
Verontrustend is de gedachte dat het niet ondenkbaar is dat we ooit tot een volledig consistente theorie over het heelal komen die we niet kunnen toetsen. De hypothetische donkere materie deeltjes zullen massa hebben maar ze zijn te klein om ze te meten aan de hand van de zwaartekracht die ze uitoefenen. Maar omdat ze massa hebben, hebben ze ook impuls. Je kunt ze dus meten wanneer ze tegen andere deeltjes botsen en we veranderingen bij die andere deeltjes waarnemen als gevolg van zo’n botsing. Maar je moet wel rekening houden met ruis veroorzaakt door andere kleine deeltjes. Donkere materie is nergens door te stoppen maar de meeste andere kleine deeltjes zoals muonen wel.
Een mooie kenschets van Schilling is de volgende: “De zwaartekracht is immers de kosmische choreograaf die de dynamica van het heelal bepaalt.” En die zwaartekracht, met name de zogenoemde lenswerking daarvan, zullen we nog veel tegenkomen in dit boek. Jacobus Kapteyn (1851-1922) introduceerde als eerste het begrip ‘donkere materie’. Jan Hendrik Oort (1900-1992) was de eerste die de hoeveelheid donkere materie kwantitatief bepaalde. Men gaat ervan uit dat sterrenstelsels halo’s van donkere materie om zich heen hebben. Ordelijk roterende schijfstelsels blijken in hoge mate instabiel te zijn. Waarom vliegen ze dan niet uit elkaar? Intuïtieve natuurkunde leert dan dat die extra benodigde massa om het geheel in toom te houden, verdeeld moet zijn over een enorme, min of meer bolvormige halo en die extra massa neemt niet deel aan de rotatie van de schijf!
Probeer je eens voor te stellen dat ons melkwegstelsel en het Andromedastelsel met een snelheid van 110 km per seconde op elkaar afstevenen, als gevolg van de zwaartekrachten die ze op elkaar uitoefenen, ondanks de algehele uitdijing van het heelal! Lodwijk Woltjer (1930-2019) berekende dat de gezamenlijke massa van de beide stelsels een biljoen zonmassa’s moest bedragen. Eens zullen beide stelsels in elkaar schuiven – men verwacht over circa vier miljard jaar. Er zal tegen die tijd geen vloeibaar water meer op onze planeet zijn waarmee de kans dat er dan nog mensen wonen nagenoeg nihil is.
Vera Rubin (1928-2016) was een van de eersten die ontdekte dat de buitenste delen van sterrenstelsels veel sneller draaien dan verwacht. Daarmee ontstond de eerste serieuze aanwijzing voor het bestaan van donkere materie. Rubin en W. Kent Ford jr (1931) concludeerden dat de Andromedanevel 185 miljard keer zoveel massa heeft als de zon. De helft daarvan bevindt zich binnen 30.000 lichtjaar van het centrum. Uit steeds meer metingen van Rubin, Ford en Norbert Thonnard (1943) bleek dat de rotatiekrommen van schijfstelsels vlak waren, soms zelfs leken omloopsnelheden aan de randen iets toe te nemen. Hun slotsom in 1980: “De conclusie is onvermijdelijk dat er binnen het optisch sterrenstelsel niet-lichtgevende materie aanwezig is”.
Fascinerend om te lezen hoe de kosmische cartografie zich ontwikkelt. Binnen afzienbare tijd zullen meer dan twintig miljard sterrenstelsels zijn gefotografeerd. Met de Large Synoptici Survey Telescope in Chili, de LSST. Daarmee kunnen de groei en ontwikkeling van structuur in het heelal worden gereconstrueerd. De camera van de LSST heeft een beeldveld dat zeven keer zo breed is als de maan en is zo gevoelig dat het maar 15 seconden duurt om sterren en sterrenstelsels te detecteren die bijna een miljard keer zwakker zijn dan wat het blote oog kan zien!
Sterren, en dus ook de zon, bestaan voornamelijk uit waterstof en de kernen van waterstof, protonen, smelten onder druk en temperatuur samen tot heliumkernen en daar komt energie bij vrij. Verdere kernreacties produceren de lichtere elementen als zuurstof, stikstof en koolstof. Maar ook de zwaardere elementen zijn ontstaan in het binnenste van sterren. Men noemt dat de stellaire nucleosynthese. We weten nu dat 24 procent van de totale atomaire massa van het universum uit helium bestaat. Ook weten we dat het heelal zich niet in een stabiele toestand bevindt. En we kennen de kosmische achtergrondstraling, de nagloei van de schepping. De oerknal-nucleosynthese biedt een mooie verklaring - aldus Schilling - voor de waargenomen chemische samenstelling van het heelal. De oerknal had niet genoeg atoomkernen geproduceerd om de huidige massadichtheid van het heelal te kunnen verklaren. Daaruit leiden astronomen af dat donkere materie niet-baryonisch moet zijn. Die deeltjes kunnen heel zwaar of juist heel licht zijn. Het neutrino is zo’n licht, niet-baryonisch deeltje dat geen elektrische lading heeft.
Tijdens de oerknal moeten die neutrino’s in enorme hoeveelheden geproduceerd zijn, maar neutrino’s zijn (nagenoeg) massaloos, kunnen dus niet samenklonteren tot structuren ter grootte van een sterrenstelsel en komen dus niet in aanmerking voor donkere materie. Kosmologen berekenden en beredeneerden dat een deeltje 1 keV oftewel 1000 elektrovolt aan massa moet hebben om uit te kunnen groeien tot een grotere structuur als een sterrenstelsel. Maar het Standaardmodel kent zo’n deeltje niet. Een deeltje dat die eigenschap wel zou hebben is het gravitino. Maar het was Peebles die suggereerde dat er sprake moest zijn van koude ( want traag bewegende) materie omdat alleen op die manier de klonterigere van het universum verklaard kan worden.
Schilling: “Donker. Koud. Ongeladen. Onzichtbaar. Niet-Baryonisch. Zwaar, in de zin dat de deeltjes tenminste iets moeten wegen - ze verraden zich immers via hun zwaartekracht. Niet onderhevig aan elektro-magnetisme of aan de sterke nucleaire kracht, maar misschien wel aan de zwakke nucleaire kracht.” Het lijkt alsof we steeds dichterbij de oplossing van het raadsel komen.
Het standaardmodel van de deeltjesfysica bevat meer dan 200 deeltjes waarvan de meeste een extreem korte levensduur hebben. Na botsing met andere deeltjes breken ze af en vervallen in andere deeltjes. De vraag is of donkere-materiedeeltjes ook in de LHC kunnen worden geproduceerd. En hoewel dat in principe moet kunnen, weet niemand hoe ze zich dan zullen manifesteren. Dit nog even los van het feit dat die deeltjes vrijwel geen interacties aangaan met gewone materie. Men is zodoende op zoek naar Weakly Interacting Massive Particles WIMP’s waarmee supersymmetrie zou kunnen worden aangetoond, een alles omvattende theorie van elementaire deeltjes en fundamentele natuurkrachten. WIMP’s voldoen aan alle eisen die gesteld worden aan donkere materie en zullen precies de juiste massadichtheid opleveren. Supersymmetrie voorspelt het bestaan van een soort WIMP. Men noemt zo’n deeltje een neutralino. Aangetoond is zo’n deeltje echter nog steeds niet.
Mordehai Milgrom (1946) beargumenteert dat er helemaal geen donkere materie nodig is om de vlakke rotatiekromme van sterrenstelsels te verklaren. Een aanpassing van de wet van Newton zou kunnen volstaan. Nu zeggen we dat de zwaartekracht afneemt met het kwadraat van de afstand tot het centrum. Als er sprake is van een evenredige afname krijg je automatisch een vlakke rotatiekromme – u wilt dit wel van me aannemen zoals ik het ook onmiddellijk van Schilling aanneem? Maar in ons planetenstelsel is toch echt sprake van de omgekeerde kwadratenwet dus waarom zou dat in een sterrenstelsel dan opeens anders moeten zijn? Het is maar de vraag of deze theorie overeind blijft of gefalsificeerd wordt. De aanhangers van deze MOND-theorie (Modified Newtonion Dynamics) stellen echter dat de theorie van donkere materie nooit gefalsificeerd kan worden omdat die deeltjes maar niet worden gevonden.
Uit onderzoek naar supernova explosies leiden astronomen af dat de kosmische uitdijing nooit zal stoppen en dat de uitdijing steeds sneller verloopt. Het op hol geslagen heelal noemt Schilling dat. De drijvende kracht achter dit proces noemen we donkere energie. En die uitdijing wordt alleen afgeremd door de zwaartekracht van de baryonische en de niet-baryonische materie. We kennen slechts 5 procent van het heelal en we bedachten donkere materie en donkere energie om de onbekende 95procent in te vullen. Dat lijkt idioot, vermetel op zijn minst maar we moeten daarbij wel bedenken dat we met die twee parameters het nu bekende heelal en de processen die we waarnemen vrijwel geheel kunnen verklaren. Berekeningen laten zien dat de donkere materie tijdens de eerste zeven of acht miljard jaar na de oerknal niet de dominante kracht kan zijn geweest en dat de versnelling van de kosmische uitdijing toen nog niet in werking was getreden. Donkere energie is eigenlijk een ander woord voor de kosmische constante die altijd en overal eenzelfde waarde zou hebben. Donkere energie echter hoeft niet noodzakelijkerwijs zo statisch te zijn.
Schilling: “ons heelal is - in de woorden van Churchill - een raadsel, gewikkeld in een mysterie, verpakt in een enigma”. Churchill had het over Rusland, niet over ons heelal. En even verderop constateert hij terecht: “Homo sapiens is een recente loot aan de evolutionaire boom, slechts een kosmische oogwenk geleden geboren op een onopvallend stofje, draaiend om een gewone ster aan de rand van een heel alledaags sterrenstelsel.”
Op dit moment lopen er vele experimenten om botsingen van donkere materie met atoomkernen te detecteren. Daarvoor worden verschillende doelmaterialen ingezet waaronder Xenon. Belangrijk is om tal van pseudobotsingen of interferentie van natuurlijke radioactiviteit te vermijden en de werking van kosmische straling te neutraliseren. Daarom staan die proeflocaties allemaal diep onder de grond.
Alleen de Italiaanse Rita Bernabei verklaart de voorspelde seizoensinvloeden als gevolg van de beweging van de aarde rond de zon, daadwerkelijk waargenomen te hebben. De wind van donkere materie (WIMPs) varieert dus in snelheid. Elders zijn deze varieerde windsnelheden echter niet waargenomen en Bernabei is niet bijster mededeelzaam over haar metingen en procedures. Er zijn theoretisch fysicus die menen dat hoge rotatiesnelheden een gevolg zijn van nog onbekende eigenschappen van de zwaartekracht (MOND theorie). Maar dat moet dan voor elk sterrenstelsel gelden. Als er stelsels zijn met lagere rotatiesnelheden, moeten dat sterrenstelsels zonder donkere materie zijn. En dat is precies wat ontdekt werd bij een aantal dwergsterrenstels! Dit fenomeen kon tot op heden nog niet verklaard worden.
De uitdijing van het heelal blijft een intrigerende aangelegenheid. We weten dat alle kosmische afstanden in 1,4 miljoen jaar met 0,01 procent toenemen, wat overeenkomt met een Hubbleconstante van ongeveer 70 km per seconde per megaparsec. Juist daarin ziet men het bewijs voor het bestaan van donkere energie. De snelle uitdijing is echter veel sneller dan verwacht werd op basis van het kosmologisch concordantie model. Tot de dag van vandaag is hiervoor geen sluitende verklaring gevonden. Men noemt dit de Hubble-spanning. Dit concordantiemodel is het zogeheten Lambda Cold Dark Matter model, het meest geaccepteerde model om de evolutie van het heelal sinds de oerknal te beschrijven. Het model gaat uit van het bestaan van gewone materie (baryonen), donkere materie (cold dark matter waarbij cold betekent dat het traag draaiende materie is) en donkere energie (Lambda).
Nobelprijswinnaar Wilczek is ervan overtuigd dat het door hem gemunte Axion-deeltje de donkere materie is waar we naar op zoek zijn: ze zijn stabiel, ze hebben geen elektrische lading en ze gaan interactie met andere deeltjes aan. Buitendien voorspelt de theorie dat ze ongelooflijk talrijk zijn. Maar als neutrino’s niet in aanmerking komen voor donkere materie omdat ze te licht zijn en geen structuren kunnen vormen, waarom zoude de eveneens erg lichte axions dat dan wel kunnen? Omdat ze in gezamenlijk optreden worden gezien als koude dus traag draaiende materie. Blijft de vraag hoe we die deeltjes kunnen detecteren.
Buitengewoon informatief en goed leesbaar, dit boek van Govert Schilling. Maar ik kan niet ontkennen dat hij mij onderweg toch een paar keer is kwijtgeraakt. Op zulke momenten veronderstelt hij meer basiskennis van astrofysica en natuurkunde dan waarover de gemiddelde lezer zal beschikken. Gewoon doorlezen is dan het devies. Er komt vanzelf weer een moment dat je de draad weer kunt oppakken. Het is evident dat astrofysica, kosmologie, theoretische fysica en natuurkunde buitengewoon lastige en voor de meesten onder ons moeilijke wetenschappen zijn. Zeker als je de lenswerking van de zwaartekracht probeert te doorgronden wordt er een fors beroep op je vermogen tot abstract denken gedaan.
Er zijn grofweg zo’n vijf disciplines die zich met deze materie bezighouden: De astrofysica probeert processen die zich afspelen in de sterren te verklaren, aan de hand van natuurkundige wetten, maar ook aan de hand van waarneembare processen in het heelal. Kosmologie is een tak van de metafysica die zich bezighoudt met de aard van het universum. Astronomie of sterrenkunde is de wetenschap die zich bezighoudt met de observatie en de studie van alle fenomenen buiten de atmosfeer van de Aarde. De theoretische natuurkunde of theoretische fysica is een tak van de natuurkunde die zich bezighoudt met het vormen van nieuwe natuurkundige theorieën. Natuurkunde of fysica is de wetenschap die de algemene eigenschappen van materie, straling en energie onderzoekt, en het gedrag ervan in ruimte en tijd bestudeert. Maar nog veel fascinerender is het besef hoe ons universum zich gedraagt, even fascinerend als geraffineerd, even complex als onvoorstelbaar.
Je staat versteld van het vermogen van de mens om al die natuurkundige en astrologische wetten en principes te doorgronden die een verklaring proberen te vinden voor dat kosmologisch proces. Het vinden van donkere materie zou een ongelooflijke doorbraak betekenen in het begrijpen van de kosmologische processen. Maar wat als we maar op zoek blijken naar iets wat er gewoon niet is? Wat moet er gebeuren om de mens dan op een nieuw spoor te zetten? Een tweede Einstein? Probeer je voor te stellen dat die toevallige bewoner van een toevallige planeet in een toevallig zonnestelsel in een toevallig sterrenstelsel erin zou slagen te doorgronden waar dit alles ooit begon en waar het zal eindigen? Ontzag voor dat bijna onvoorstelbare universum is volledig op zijn plaats. Ontzag voor de mens die er in het tijdsbestek van een kosmische oogwenk in slaagde al zoveel geheimen te ontrafelen is evenzeer terecht. Ik althans, ik krijg er nooit genoeg van, hoe weinig ik er ook van begrijp.
Recensie door Enno Nuy
Govert Schilling, De olifant in het universum, Fontaine uitgevers, 2021, 329 pagina’s
