Donkere Energie, Donkere Materie

Donkere energie en donkere materie: wat is het verschil? Door CHARLIE WOOD

Door steeds nauwkeurigere waarnemingen hebben astrofysici geleerd dat alle sterren en sterrenstelsels in het universum een beetje op stadslichten lijken, gezien vanuit de ruimte; ze impliceren het bestaan van uitgestrekte, onzichtbare continenten beneden.

Fritz Zwicky, Vera Rubin en andere astronomen uit de 20e eeuw ontdekten het eerste van twee onzichtbare continenten terwijl ze de bewegingen van sterren en sterrenstelsels observeerden. Om de buitenste sterren net zo snel rond het centrum van een sterrenstelsel te laten draaien, beseften Rubin en haar collega's, moeten ze vastgehouden worden door de zwaartekracht van iets onzichtbaars. De heldere spiraal van het sterrenstelsel zou een klein zaadje moeten zijn dat zich in het centrum van een onzichtbare wolk van ‘donkere materie’ bevindt.

Verder bewijs voor deze niet-lichtgevende vorm van materie verscheen toen natuurkundigen het oude licht uit het vroege universum begonnen te onderzoeken. Ze ontdekten rimpelingen die veroorzaakt werden door een strijd tussen donkere materie en zichtbare straling. Tegenwoordig meten astronomen de verdeling van donkere materie aan de hand van de manier waarop deze het licht vervormt, net zoals je kunt zien waar het oppervlak van je drankje zich bevindt op basis van de manier waarop het het uiterlijk van je rietje vervormt.

Twee teams van kosmologen stuitten in de jaren negentig gelijktijdig op het tweede donkere continent. De beweging van verre supernova's onthulde dat de uitdijing van het heelal steeds sneller ging. Een soort ‘donkere energie’ werkte tegen de zwaartekracht in om sterrenstelsels steeds sneller uit elkaar te drijven.

Theoretici identificeerden onmiddellijk de hoofdverdachte: een kleine hoeveelheid energie die inherent is aan het vacuüm van de ruimte. Albert Einstein had deze mogelijkheid al lang geleden overwogen en noemde het een ‘kosmologische constante’. Dergelijke energie zou al vroeg, toen het universum klein was, een verwaarloosbaar effect hebben gehad, maar het effect ervan – afstoting – zou toenemen met de omvang van het universum. Op de zeer lange termijn wordt verwacht dat de steeds snellere uitdijing de zichtbare en donkere materie zal verdunnen tot onwaarneembare niveaus, waardoor een explosief uitdijend heelal overblijft dat bijna uitsluitend uit donkere energie bestaat.

Deze ontwikkelingen culmineerden in een overkoepelende kosmologische theorie die bekend staat als het Lambda-CDM-model, een reeks ingrediënten en vergelijkingen die de evolutie van de kosmos beschrijven. Lambda is een Grieks symbool dat verwijst naar donkere energie, die momenteel 70% van de energie in het universum voor zijn rekening neemt. CDM staat voor ‘koude donkere materie’, die 25% van de energie van de kosmos uitmaakt (via Einsteins gelijkwaardigheid van massa en energie). Zichtbare materie, zoals atomen – de laatste 5% van het kosmische cirkeldiagram – komt niet voor in de naam van de theorie, maar is wel opgenomen in de vergelijkingen ervan.

In laboratoria over de hele wereld hebben natuurkundigen geprobeerd het ongrijpbare deeltje, of de deeltjes, te identificeren die sterrenstelsels bij elkaar lijken te houden. De hoop is dat donkere materie niet perfect donker is en dat het af en toe een goed afgestemde detector kan doen oplichten. Steeds heroïschere pogingen om één veelbelovende kandidaat op te sporen, een hypothetisch deeltje genaamd de WIMP, duren nu al tientallen jaren. Maar het eureka-moment is nog niet aangebroken, dus de afgelopen jaren is de zoektocht uitgebreid naar een breder scala aan kandidaat-deeltjes.

Een alternatieve mogelijkheid is dat donkere materie een illusie is, omdat de zwaartekracht enkele eigenaardigheden heeft die we niet volledig begrijpen. In 2020 slaagden theoretische natuurkundigen erin Einsteins zwaartekrachttheorie te verbuigen om enkele van de waargenomen effecten van donkere materie te produceren. Ze hebben dit voor elkaar gekregen door een zorgvuldig vervaardigd veld toe te voegen, dat ze omschreven als ‘donker stof’, dat veel op materie leek.

Hoewel er veel plausibele ideeën bestaan over wat donkere materie zou kunnen zijn, is donkere energie verontrustender gebleken voor de grondslagen van de theoretische natuurkunde.

De kleine dichtheid ervan is een bijzonder groot mysterie. Een naïeve schatting van de vacuümenergie, gebaseerd op het optellen van de energieën op basisniveau van alle kwantumvelden die de ruimte vullen, levert een getal op dat gigantisch is vergeleken met de kleine bron van kosmische versnelling, een mismatch die soms de slechtste voorspelling in de natuurkunde wordt genoemd.

De beste verklaring voor de duisternis van donkere energie wordt ook op grote schaal verguisd. Misschien, zo vermoeden sommige natuurkundigen, is ons universum één bel in een enorm multiversum, waar elke bel een willekeurig bepaalde vacuümenergie heeft. We leven in een bel met een minuscule vacuümenergie, want als de waarde ervan groter zou zijn geweest, zoals Nobelprijswinnaar Steven Weinberg in 1987 opmerkte, zou het universum te snel zijn uitgezet om sterrenstelsels te kunnen vormen en (dus) leven te laten ontstaan. Op deze foto zou de vacuümenergie een beetje lijken op de afstand van de aarde tot de zon; het had op allerlei manieren kunnen gebeuren – en dat gebeurde inderdaad ook voor andere planeten of andere universums – maar slechts bepaalde uitkomsten zullen bewoonbaar zijn.

Weinbergs argument ging zwaar wegen op veel natuurkundigen. Het plaatst een belangrijk kenmerk van onze werkelijkheid buiten het bereik van berekeningen. Nima Arkani-Hamed, een natuurkundige aan het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, vertelde me tijdens een recente reportagereis dat het argument van Weinberg, toen hij hoorded erover, “raakte me als een hoop stenen. Een maand lang heb ik verdwaasd rondgezworven.” Theoretici hebben enkele pogingen ondernomen om de multiversumhypothese om te zetten in een voorspellende theorie, maar de afschuw van het multiversum gaat vandaag de dag grotendeels door.

Ondertussen zijn waarnemers verder gegaan en hebben ze het effect van donkere energie door de kosmische geschiedenis heen steeds gedetailleerder gevolgd. Hun onderzoek naar de kosmos heeft meestal Lambda-CDM en het idee van donkere energie als kosmologische constante bevestigd. Nog maar een paar weken geleden kondigde een team echter een prikkelende nieuwe aanwijzing aan voor de aard van donkere energie. Bij het analyseren van duizenden supernova's samen met subtiele rimpelingen in de verdeling van 6 miljoen sterrenstelsels, vond de samenwerking met het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) een aanwijzing dat donkere energie in de loop van de tijd zou kunnen verzwakken.

De anomalie zou een statistische toevalstreffer kunnen zijn, of indicatief voor een misverstand over de astrofysica van supernova's. Als dat zo is, zouden verdere gegevens van het DESI-team de situatie in de komende jaren moeten oplossen.

Maar als die hint een ontdekking wordt, zullen de implicaties ervan diepgaand zijn. Voor sommige snaartheoretici is het normaal om te verwachten dat de vacuümenergie van ons universum zou kunnen afnemen, aangezien universums met constante positieve vacuümenergieën in de snaartheorie moeilijk te construeren lijken. Anderen benadrukken echter dat dit alleen maar meer hoofdpijn zou veroorzaken. Natuurkundigen zouden niet alleen moeten uitleggen waarom de vacuümenergie onwaarschijnlijk klein is, maar ook waarom deze onwaarschijnlijk langzaam verandert. ‘Als de donkere energie echt aan het verzwakken is,’ vertelde Daniel Harlow me gekscherend tijdens een recent bezoek aan het Massachusetts Institute of Technology, ‘dan stop ik met natuurkunde en ga ik de techniek in.’