Donkere materie

Donkere materie is materie die niet zichtbaar is met optische middelen en ook niet detecteerbaar via de elektromagnetische straling die ons op aarde bereikt. Elektromagnetische straling is de voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische oscillaties (trillingen). Licht is een vorm van elektromagnetische straling. Alle soorten elektromagnetische straling hebben in het vacuüm een snelheid gelijk aan de lichtsnelheid.
Daarom wordt ze donkere materie genoemd in tegenstelling met de zichtbare materie.
Het bestaan van donkere materie wordt verondersteld om de waargenomen beweging van verre sterren en afgeplatte spiraalsterrenstelsels (zoals ons eigen Melkwegstelsel) te kunnen verklaren op een wijze die consistent is met de zwaartekrachttheorie en de relativiteitstheorie.
De zwaartekracht of gravitatie is de aantrekkende kracht die twee massa's op elkaar uitoefenen. De zwaartekracht is er de oorzaak van dat alles op aarde naar beneden valt. De zwaartekracht werkt ook op grote afstand, bijvoorbeeld tussen de aarde en de maan. De zwaartekracht die verantwoordelijk is voor het vallen van een appel zorgt er eveneens voor dat de maan of een satelliet in een baan om de aarde blijft. Op zeer grote schaal zorgt de zwaartekracht voor veranderingen in de uitdijing van het heelal.

Met relativiteitstheorie worden in de natuurkunde twee theorieën van Albert Einstein aangeduid, namelijk de speciale relativiteitstheorie en de algemene relativiteitstheorie. De kern van beide theorieën is dat twee waarnemers die ten opzichte van elkaar bewegen over het algemeen verschillende afmetingen van tijd en ruimte zullen meten voor dezelfde gebeurtenissen. De natuurkundige wetten zullen echter voor beiden dezelfde zijn.
De zichtbare materie in deze sterrenstelsels heeft namelijk niet genoeg massa om de bewegingssnelheid van de sterrenstelsels te kunnen verklaren. Om de bewegingssnelheid met de bestaande zwaartekrachttheorie en de relativiteitstheorie te kunnen verklaren, veronderstelt men dat er extra materie aanwezig is die men niet kan detecteren.

Donkere materie en afgeplatte spiraalstelsels

In de jaren dertig zagen de astronomen ver verwijderde sterrenstelsels ronddraaien met een snelheid die 10 tot 100 keer hoger lag dan werd verwacht volgens de waargenomen massa. Er ontbrak dus massa. De hoop van de astronomen in die tijd was gevestigd betere waarnemingen door meer geavanceerde telescopen. Maar met betere telescopen werd geen extra massa ontdekt.

Rond 1978 deden de Amerikaanse sterrenkundigen Vera Rubin en Kent Ford snelheidsmetingen op afgeplatte spiraalstelsels, zoals ons eigen melkwegstelsel. De snelheidsmetingen werden uitgevoerd aan wolken waterstofgas, die zichtbaar zijn in de verste buitendelen van het spiraalstelsel, waar vrijwel geen sterlicht geproduceerd wordt. Bij elliptische stelsels kon deze meetmethode niet worden toegepast, omdat hierin vrijwel geen gas voorkomt. Met de gekende gravitatiewetten werd met de gemeten rotatiesnelheid van de afgeplatte stelsels de benodigde massa berekend.

Deze massa was veel groter dan de massa die aanwezig was in de zichtbare sterren en gaswolken. De buitengebieden van de spiraalstelsels draaiden sneller rond, dan verwacht met de bekende massa. Er moet dus een sterker zwaartekrachtsveld zijn. Hiervoor werd hypothetisch aangenomen dat er onzichtbare massa aanwezig was in de sterrenstelsels, welke donkere materie genoemd werd omdat ze niet zichtbaar is.
Het ontbreken van zwarte massa in elliptische sterrenstelsels enerzijds en een mogelijke alternatieve verklaring van de afwijkende gravitatiewet door een aanpassing van die wet voor verre afstanden, geven aan dat de theorie van de zwarte materie niet de enige mogelijke verklaring is voor de afwijkende rotatiesnelheid van verre afgeplatte sterrenstelsels.

Eigenschappen van donkere materie

Opdat zwarte materie een hypothetische verklaring zou kunnen zijn voor de bewegingssnelheid van sommige sterrenstelsels, moet die zwarte materie aan volgende eigenschappen voldoen:

• het heeft massa
• het bevindt zich in grote hoeveelheden in bepaalde sterrenstelsels in het heelal
• het is niet zichtbaar, of aan de andere kant detecteerbaar via de elektromagnetische straling die ons op aarde bereikt.

Donkere materie en de oerknal

Donkere materie is ook de oplossing voor bepaalde inconsistenties in de theorie van de oerknal. Metingen met de WMAP brachten aan het licht dat 23% van de massa van het heelal donkere materie is, dat is veel meer dan de 'gewone' zichtbare materie.
De Wilkinson Microwave Anisotropy Probe of WMAP is een satelliet die tot taak heeft de temperatuurfluctuaties van de kosmische achtergrondstraling in kaart te brengen. WMAP is op 30 juni 2001 gelanceerd en bereikte op 1 oktober zijn observatiepositie op Lagrangepunt 2 (L2). Dat punt bevindt zich op 1,5 miljoen kilometer afstand aan de nachtzijde van de aarde.
De kosmische achtergrondstraling is de warmtestraling die is uitgezonden tijdens de oerknal. Volgens deze theorie was het vroege heelal extreem heet en terwijl het uitdijde koelde het heelal af.

Een Lagrangepunt is een punt waar een klein object, zoals een satelliet zonder eigen aandrijving een vaste relatieve positie behoudt ten opzichte van twee hemellichamen die rond een gezamenlijk zwaartepunt draaien. Hierbij moet de massa van het object in het Lagrangepunt verwaarloosbaar zijn ten opzichte van de twee hemellichamen en moet deze massa de juiste snelheid en richting hebben. Ieder tweelichamensysteem dat draait rond een gemeenschappelijk zwaartepunt heeft vijf Lagrangepunten, waarvan er drie liggen op de verbindingslijn tussen de twee hemellichamen. Deze punten zijn interessant voor bestudering van de hemellichamen en latere bouw van kunstmatige menselijke kolonies.

Niemand weet wat donkere materie is. Het verklaren van de aard van donkere materie is een van de grote problemen van de kosmologie. Een mogelijke hypothese is het bestaan van deeltjes die slechts zwak met hun omgeving interactie hebben, de WIMP deeltjes.
In de astronomie worden WIMPs (Engels acroniem voor Weakly Interacting Massive Particles), gebruikt in een mogelijke verklaring voor de problematiek rond donkere materie. De deeltjes hebben een "lage interactie" omdat ze niet door de sterke kernkracht of de elektromagnetische kracht worden beïnvloed. Hun interactie met normale materie (elektronen, protonen en neutronen) vindt alleen via de zwaartekracht plaats.

Donkere materie en elliptische sterrenstelsels

In april 2002 presenteerde een Europees team van astronomen verrassend nieuws op de Brits-Ierse National Astronomy Meeting in Dublin: elliptische sterrenstelsels lijken geen donkere materie te bevatten. Deze ontdekking was mogelijk door een nieuwe meettechniek, de Planetaire Nevel Spectrograaf waarbij gebruik werd gemaakt van planetaire nevels in plaats van waterstofgas.
Een verklaring voor deze waarneming is er nog niet. Misschien hebben elliptische sterrenstelsels een andere ontstaansgeschiedenis dan spiraalstelsels. Of misschien is de donkere materie verdwenen door de wisselwerking met andere stelsels.

Er is dus nog een dubbel mysterie:

• Wat is de aard van donkere materie in spiraalstelsels?
• Waarom is er geen donkere materie in elliptische stelsels?

Men veronderstelt dat de meeste massa van het universum bestaat uit donkere massa. Het bepalen van de aard van die donkere massa is bekend als 'het donkere materie probleem' of 'het probleem van de ontbrekende massa'. Het is één van de belangrijkste problemen van de moderne kosmologie.
Met de graviteittheorie en nieuwe computeranalyses hebben astronomen bepaald waar de donkere materie zich zou moeten bevinden. Er zou zeven maal zoveel donkere materie zijn als zichtbare materie. Dit is slechts een vierde van wat nodig is om de expansie van het universum te stoppen.
Het meest algemene standpunt is dat donkere materie bestaat uit elementaire deeltjes, niet de gangbare elektronen, protonen en neutronen, maar neutrinos, axionen of hypothetische deeltjes gekend als zwak-interactieve massieve deeltjes (Weakly interacting massive particles : WIMPs), of misschien is het een nog meer exotische vorm van materie, zoals de "neutralino's" (schaduw-deeltje van het neutrino in theorieën met super-symmetrie).

Alternatieve verklaring voor de gravitatiekrachten in sterrenstelsels

Een alternatieve mogelijkheid om de gravitatiekrachten in sterrenstelsels te verklaren is te veronderstellen dat de gravitatiekrachten in sterrenstelsels groter zijn dan de Newtoniaanse, bij grote afstanden. Dit kan men doen door een negatieve constante te veronderstellen voor de kosmologische constante (deze waarde wordt verondersteld positief te zijn op basis van recente observaties).

De kosmologische constante is een correctiefactor, die aanvankelijk door Albert Einstein aan de algemene relativiteitstheorie werd toegevoegd, maar later verworpen. Tegenwoordig is deze kosmologische constante in diverse heelalmodellen echter weer zeer actueel.

Al deze benaderingen leiden echter tot moeilijke verklaringen van de verschillende gedragingen van de verschillende melkwegstelsels en clusters, terwijl deze beschrijfbaar zijn door verschillende hoeveelheden zwarte materie te veronderstellen.
Gegevens van de rotatiecurven van melkwegstelsels geven aan dat ongeveer 90 procent van de massa van een melkwegstelsel onzichtbaar is en alleen door het effect dat het op de zwaartekracht heeft ontdekt kan worden.
Men veronderstelt dat er verschillende soorten donkere materie zijn:

• Baryonic dark matter : Baryonische donkere materie
• Cold dark matter : Koude donkere materie
• Hot dark matter : Hete donkere materie

Hete donkere materie bestaat uit deeltjes die bewegen met snelheden dicht tegen de lichtsnelheid. Het neutrino komt het beste in aanmerking voor hete donkere materie. Neutrino's hebben een verwaarloosbare massa, hebben geen invloed op het elektromagnetisme of op de sterke nucleaire kracht en zijn dus ongelooflijk moeilijk te detecteren.
Hete donkere materie kan echter niet verklaren hoe individuele melkwegstelsels gevormd werden vanuit de big bang. Om de structuur op kleine schaal van het universum te verklaren was het noodzakelijk om ook koude donkere materie in te voeren. Hete donkere materie wordt daarom steeds besproken als een deel van een gemengde donkere materie theorie.