DE OLIFANT

IN HET UNIVERSUM

Govert Schilling

DE OLIFANT

IN HET UNIVERSUM

Donkere materie, mysterieuze deeltjes

en de samenstelling van ons heelal

FONTAINE UITGEVERS

Dit eBoek is een uitgave van Fontaine Uitgevers, Amsterdam

Oorspronkelijke titel: The Elephant in the Universe

Oorspronkelijke uitgever: Harvard University Press

© 2021 Govert Schilling 2021, www.allesoversterrenkunde.nl

Voor de Nederlandstalige uitgave:

© 2021 Fontaine Uitgevers, Amsterdam

www.fontaineuitgevers.nl

Vertaling: Eddy Echternach

Omslagontwerp: Villa Grafica, Diemen

Redactie: Liesbeth Kuitenbrouwer en Barbara Trappenburg

eBoek verzorging: Pre Press Media Groep, Leerdam

ISBN 978 94 6404 098 2

NUR 917

Deze digitale uitgave is gemaakt naar de eerste druk, 2021 met ISBN 978 94 6404 097 5

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm, elektronisch databestand of op welke andere wijze ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.

Deze uitgave is met de grootst mogelijke zorgvuldigheid samengesteld. Noch de maker, noch de uitgever stelt zich echter aansprakelijk voor eventuele schade als gevolg van eventuele onjuistheden en/of onvolledigheden in deze uitgave.

Fontaine Uitgevers is onderdeel van Park Uitgevers B.V.

Het grootste raadsel van de moderne astronomie: donkere materie

De ware aard van donkere materie is een van de grootste onopgeloste vraagstukken in de hedendaagse sterrenkunde. 85% van alle massa in het heelal bestaat eruit, maar nog steeds weet niemand wat het precies is.

Met de ontdekking van de al even mysterieuze donkere energie en met de twijfels aan onze opvattingen over de zwaartekracht lijkt het raadsel er alleen maar ingewikkelder op te worden.

Govert Schilling belicht de geschiedenis van de wetenschappelijke jacht op donkere materie en het actuele onderzoek naar deze ‘olifant in het universum’. Hij bezoekt sterrenwachten en ondergrondse laboratoria, raadpleegt topwetenschappers en praat met Nobelprijswinnaars. In begrijpelijke taal maakt Schilling inzichtelijk wat we niet kunnen zien en beschrijft hij wat dit onopgeloste mysterie ons leert over de samenstelling van de kosmos.

Govert Schilling is wetenschapsjournalist en schrijft over sterrenkundige onderwerpen voor onder meer de Volkskrant, New Scientist en BBC Sky at Night Magazine. Hij publiceerde tientallen boeken voor zowel kinderen als volwassenen en voor televisie presenteerde hij onder andere Govert naar de grenzen van het heelal en Govert naar de oorsprong van de mens.

www.allesoversterrenkunde.nl

Met een voorwoord van Vincent Icke, hoogleraar theoretische sterrenkunde aan de Universiteit Leiden en bijzonder hoogleraar kosmologie aan de Universiteit van Amsterdam.

‘Als de aarde hetzelfde percentage donkere materie bevatte als het heelal, dan zou dit boek ruim drie kilo wegen. Rustig lezen was onmogelijk: wij zouden worden geplet door de aardse zwaartekracht, die dan bijna zeven maal sterker zou zijn dan nu.

Gelukkig bestaan kleine voorwerpen, zoals boeken en planeten, geheel uit de materie die iedereen kent. Maar ons Melkwegstelsel bestaat al voor de helft uit donker spul.

Dat zit blijkbaar niet in sterren en planeten, maar waar dan wel? Is de lege ruimte dan niet echt leeg?

Zeer waarschijnlijk staan de aanwijzingen over de ware aard van donkere materie al ergens in dit boek. We weten alleen nog niet waar.’

Vincent Icke in het voorwoord van De olifant in het universum.

Van dezelfde auteur: Deining in de ruimtetijd. Einstein, zwaartekrachtgolven en de toekomst van de astronomie.

‘Een levendig boek van een ervaren wetenschapsjournalist over een van de belangrijkste onderwerpen in de kosmologie: donkere materie.’ – Robert Kirshner, hoogleraar astronomie Harvard University en auteur van The Extravagant Universe

‘Een voortreffelijk overzicht van het mysterie van de donkere materie. De nieuwste inzichten en mogelijke verklaringen worden uitstekend uiteengezet. Een boek dat ik iedereen die in ons heelal geïnteresseerd is van harte kan aanbevelen.’ – Ed P.J. van den Heuvel, emeritus

hoogleraar sterrenkunde Universiteit van Amsterdam en Vrije Universiteit van Brussel

‘De donkere kant van het heelal begrijpen we nog helemaal niet. Wie zou dat raadsel beter kunnen belichten dan Govert Schilling?’ – Heino Falcke, hoogleraar theoretische astrodeeltjesfysica en radioastronomie Radboud Universiteit Nijmegen

‘Een prettig leesbaar en onderhoudend verslag van de wereldwijde wedloop om een van de

grootste mysteries van het universum op te lossen.’ – Gianfranco Bertone, hoogleraar theoretische astrodeeltjesfysica Universiteit van Amsterdam en auteur van Tussen twee oneindigheden

‘Govert Schilling laat als geen ander zien dat wetenschap uiteindelijk altijd mensenwerk is.’ – Martijn van Calmthout, communicator en wetenschapsschrijver

‘Een meeslepend boek dat je op de hoogte brengt van het nieuwste onderzoek naar het meest frustrerende vraagstuk in de sterrenkunde.’ – Marcia Bartusiak, auteur van The Day We Found the Universe

De blinde mannen en de olifant

Een hindoe-fabel

Zes mannetjes uit Hindoestan

Die namen leergezind

Een kijkje bij een Olifant

Al waren ze wel blind

Ze dachten: het zal mij benieuwen

Wat ik ervan vind

De Eerste botste tegen een

Geweldig breed postuur

Dat stevig en solide was

En dus riep hij vol vuur:

‘Mijn lieve God, de Olifant

Is net iets als een Muur!’

De Tweede hield een slagtand vast

En ging verbaasd tekeer:

‘Wat hard en rond en glad en scherp

Dit is geen raadsel meer

Die wonderlijke Olifant

Is net iets als een Speer!’

De Derde naderde het dier

En was bepaald niet bang

Hij voelde dapper aan de slurf

Die wendbaar was en lang

‘Aha,’ zei hij, ‘de Olifant

Is net iets als een Slang!’

De Vierde voelde aan een poot

En sprak toen zonder schroom:

‘Dit staat zo grondig op de grond

Een béétje anatoom

Die weet meteen: de Olifant

Is net iets als een Boom!’

De Vijfde zocht en vond een oor

En juichte: ‘Niets is fraaier

Dan deze windverplaatsingsschijf

Ik zweer het en ik draai er

Dus niet omheen, de Olifant

Is net iets als een Waaier!’

De Zesde graaide naar de staart

En dacht: asjemenou

Wat is dit dun en vezelrijk

En met een hoop know-how

Verklaarde hij: ‘De Olifant

Is net iets als een Touw!’

De mannetjes uit Hindoestan

Die hadden blind aanschouwd

En ook al hadden ze heel stug

Hun mening onderbouwd

Ze hadden allen deels gelijk

Maar ieder had het fout

De Moraal:

Vaak heeft men in godsdienstige

Discussies praats voor tien

Toch kakelt men onkundig

En onwetend bovendien

Het gaat over een Olifant Die niemand heeft gezien!

John Godfrey Saxe (1872)
Vertaling: Frank van Pamelen (2021)

Inhoud

Voorwoord door Vincent Icke

Introductie

Deel 1  OOR

1 Moeilijke materie

2 Diepgravend onderzoek

3 De pioniers

4 Het halo-effect

5 Flattening the curve 73

6 Kosmische cartografie

7 Baryonen van de oerknal

8 Radioreflecties

Deel 2    SLAGTAND

9 Wennen aan de kou

10 Wonderbaarlijke WIMP’s

11 Digitaal universum

12 Kosmologische ketters

13 Vervormd zicht

14 MACHO-gedrag

15 Het op hol geslagen heelal

16 De kosmische taart

17 Ingesleten patronen

Deel 3    SLURF

18 De xenon-wedloop

19 Tegen de wind in

20 Boodschappers uit de ruimte

21 Dwarse dwergen

22 Toenemende spanning

23 Subatomaire spoken

24 Een duistere crisis

25 Niet zien en toch geloven

Noten

Dankwoord

Illustratieverantwoording

Register

Voorwoord

door Vincent Icke

Als de aarde hetzelfde percentage donkere materie bevatte als het heelal, dan zou dit boek ruim drie kilo wegen. Rustig lezen was onmogelijk: wij zouden worden geplet door de aardse zwaartekracht, die dan bijna zeven maal sterker zou zijn dan nu. Gelukkig bestaan kleine voorwerpen, zoals boeken en planeten, geheel uit de materie die iedereen kent. Maar ons Melkwegstelsel bestaat al voor de helft uit donker spul. Dat zit blijkbaar niet in sterren en planeten, maar waar dan wel? Is de lege ruimte dan niet echt leeg? Je zou het bijna gaan denken, want naarmate je grotere structuren bekijkt wordt het percentage gewone materie steeds kleiner.

Niemand weet hoe dat komt, of wat de aard is van die donkere sector. Er is zelfs ruimte voor twijfel of dat onzichtbare spul er wel echt is. De omvang van de raadselen rondom de inhoud van het heelal kun je afmeten aan de hoeveelheid oplossingen die ervoor wordt aangedragen. Vrijwel iedere sterrenkundige heeft minstens één privé-vermoeden over hoe het zit. Bovendien is de vaagheid van de beschrijving, en van de gebruikte termen, groter naarmate het raadsel groter is.

Schrijven over bekende natuurkunde – quanta, relativiteit, zwarte gaten – gaat nog, ik heb het zelf wel eens gedaan. Maar een boek maken over een verschijnsel waar helemaal niemand iets van snapt, waarvan het zelfs de vraag is of het echt wel een verschijnsel betreft: dat is gewaagd.

Natuurkundig gezien gaat het hier om een onbekende bron van versnelling. Hoe dat zit kunnen we zien door vergelijking met de mechanica uit de zeventiende eeuw. Christiaan Huygens stelde dat snelheid geen meetbare grootheid is; alleen verschil of verandering van snelheid – een versnelling – kun je direct waarnemen. De vraag is dan: wat is de oorzaak van zo’n versnelling? Robert Hooke en Isaac Newton bedachten een antwoord: zwaartekracht, veroorzaakt door materie. Albert Einstein liet zien dat de zwaartekracht een gevolg is van de structuur van ruimte en tijd, gekoppeld aan materie.

Binnen ons zonnestelsel klopt dat perfect, maar sterrenkundigen hebben ontdekt dat de baanbewegingen in het diepe heelal zich anders gedragen. Er is blijkbaar een extra bron van versnelling, veel groter dan die welke ontstaat door de materie waaruit planeten en sterren bestaan. Omdat het beestje toch een naam moet hebben, noemt men die bron ‘donkere materie’. Daar heb ik een hekel aan, omdat we niet eens weten of het hier wel gaat om ‘materie’. Je kunt zeggen ‘donker spul’, maar ook dat is onzuiver, omdat het goed mogelijk is dat die extra versnelling voortkomt uit een nog onbegrepen eigenschap van ruimtetijd.

De woorden ‘donkere materie’ en ‘donkere energie’ betekenen nu nog niets. Pas wanneer het raadsel grotendeels is opgelost zullen we er betere woorden voor hebben. Tot die tijd zouden we er goed aan doen te spreken over ‘donker spul’, want niemand weet wat het is, of in welke categorie het past – het is zelfs niet zeker of ‘het’ er inderdaad wel is, of dat het maar zo lijkt.

Ik hoop op extra gegevens uit een andere hoek dan de kosmologie. Denkend langs de lijn Huygens-Newton-Einstein meen ik dat de kern van de zaak de wisselwerking is tussen materie (van welke aard dan ook) en ruimtetijd. Gelukkig is er sinds kort een mogelijkheid om die wisselwerking in detail te bestuderen, namelijk tijdens de botsing van een neutronenster met een zwart gat. Dat is de meest heftige ontmoeting tussen pure ruimtetijd (een zwart gat) en elementaire deeltjes (de materie van de neutronenster, en eventueel ander spul in die ster). Daarbij worden gravitatiegolven uitgezonden, en tegelijkertijd een lichtflits. Door beide waar te nemen kunnen we exact bepalen wat de afstand is tot die botsing, en dankzij computerberekeningen krijgen wij een beeld van het verloop ervan.

In de natuurkunde zijn grote raadsels de voorlopers van grote ontdekkingen. Misschien is het antwoord dichtbij – of vanzelfsprekend, zoals latere generaties met het arendsoog van ‘achteraf gezien’ wellicht zullen zeggen. Zoals in een goed detective-verhaal zullen we waarschijnlijk meemaken dat, wanneer de zaak gesloten is, de meeste aanwijzingen dwaalsporen blijken te zijn. Tot in het laatste hoofdstuk blijft het verhaal raadselachtig. Ook zal dan blijken dat de juiste aanwijzingen al voor het oprapen lagen.

Zoiets hebben we wel vaker meegemaakt, zoals bijvoorbeeld met de quantummechanica. Scheikundigen bedachten atomen, en ontdekten dat ze slechts in gehele getallen combineren: H₂O is een scheikundige verbinding, waar H1,8O zomaar een mengsel zou zijn. Het licht dat atomen uitstralen bleek te zijn samengesteld uit reeksen scherp bepaalde kleuren (de spectraallijnen) in plaats van een vloeiend verlopende regenboogband. Blijkbaar is het licht dat atomen uitzenden net zo korrelig als materie. Einstein bewees dat het foto-elektrische effect ontstaat doordat de energie van het licht in pakketjes wordt afgeleverd: alles bestaat uit quanta, materie zowel als licht. Toen de quantummechanica in het eerste kwart van de twintigste eeuw werd ontwikkeld om een en ander te verklaren, waren de op te lossen raadselen al meer dan een eeuw in detail bekend.

Zeer waarschijnlijk staan de aanwijzingen over de ware aard van ‘donker spul’ al ergens in dit boek. We weten alleen nog niet waar (ik ga het pas later lezen, om te voorkomen dat dit voorwoord een recensie wordt). Het is bijzonder dat een boek gaat over wetenschap, maar dan over een stuk waarvan niemand weet hoe het zit. Tot dusver, althans, want ooit komen we er achter. Ik hoop dat dat snel zal zijn. Niet alleen voor mijzelf, maar ook voor Govert Schilling, die dan een heel nieuw boek kan schrijven over dit onderwerp, met de oplossing van het raadsel. Het boek dat je nu in handen hebt is dan overbodig geworden.

Vincent Icke is hoogleraar theoretische sterrenkunde aan de Universiteit Leiden en bijzonder hoogleraar kosmologie aan de Universiteit van Amsterdam.

Introductie

In 1995 beschikten astronomen voor het eerst over gevoelige spectrometers waarmee heel nauwkeurig de snelheden van sterren konden worden gemeten. Binnen een paar jaar, zo was de verwachting, zou het daarmee waarschijnlijk lukken om exoplaneten op te sporen. De zwaartekracht van een nabije, zware planeet zou namelijk uiterst kleine periodieke veranderingen in de snelheid van zijn moederster veroorzaken. Ik besloot research te gaan doen voor een nieuw populair-wetenschappelijk boek over deze jacht op exoplaneten, in de hoop dat ik de baanbrekende ontdekking in het slothoofdstuk zou kunnen opnemen.

Toen Michel Mayor en Didier Queloz in oktober 1995 hun ontdekking bekendmaakten van 51 Pegasi b – de eerste bevestigde planeet die om een zonachtige ster draait – moest ik plotseling vaart maken. Het daaropvolgende jaar heb ik aan bijna niets anders gewerkt. Mijn boek, Tweeling aarde, verscheen begin 1997. Het was een van de eerste boeken ter wereld waarin de eerste reeks ontdekkingen aan bod kwam.

Een aantal jaren geleden gebeurde iets soortgelijks. Begin 2015 begon ik mijn research voor een boek over zwaartekrachtgolven – kleine rimpelingen in het weefsel van ruimte en tijd die worden veroorzaakt door heftige gebeurtenissen zoals botsingen tussen zwarte gaten. Zwaartekrachtgolven waren een eeuw eerder al voorspeld door Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie, en wetenschappers maakten er al tientallen jaren lang jacht op. Later dat jaar zouden de nieuwe, geavanceerde versies van de zwaartekrachtgolfdetectoren LIGO (Verenigde Staten) en Virgo (Italië) in bedrijf gaan, en het leek erop dat de eerste detectie niet lang meer op zich zou laten wachten.

Uiteindelijk was de eerste directe waarneming van zwaartekrachtgolven al in september van dat jaar een feit, al werd die pas in februari 2016 wereldkundig gemaakt. Opnieuw schoof ik alles aan de kant om het boek te voltooien. Ripples in Spacetime – vertaald als Deining in de ruimtetijd – verscheen in de zomer van 2017.

Dus toen ik begin 2018 serieus begon te werken aan een nieuw boek over donkere materie, vertelde ik mijn interviewkandidaten – astrofysici en deeltjesfysici die op zoek zijn naar de ware aard van dit geheimzinnige spul – half gekscherend dat ik heel binnenkort een revolutionaire ontwikkeling op dit gebied verwachtte. Zou het niet fantastisch zijn als mijn boek het eerste zou zijn waarin de langverwachte oplossing van het vraagstuk van de donkere materie wordt onthuld?

Jammer genoeg gebeurde dat niet. Dus ik verklap maar vast: als je de laatste pagina van dit boek hebt bereikt, weet je nog steeds niet waar het grootste deel van het materiële heelal uit bestaat. Wetenschappers ook niet trouwens. Ondanks tientallen jaren van speculaties, waarnemingen, onderzoeken en computersimulaties is donkere materie nog steeds een van de grootste raadsels in de moderne wetenschap. Maar je zult na afloop wél veel te weten zijn gekomen over ons wonderbaarlijke heelal, en over de wijze waarop natuur- en sterrenkundigen de geheimen van de kosmos hebben ontward.

Donkere materie tart ons voorstellingsvermogen. Het is de onzichtbare lijm die het heelal bij elkaar en in stand houdt. Zonder die lijm zouden sterrenstelsels uiteenvallen, clusters van sterrenstelsels ontbinden, en zou de ruimte lang geleden tot in het niets zijn uitgedijd. Donkere materie is het belangrijkste bestanddeel van het heelal, en toch hebben we het bestaan ervan pas enkele tientallen jaren geleden ontdekt. En niemand kent de ware aard ervan.

Nou ja, dankzij het werk van honderden toegewijde wetenschappers weten we in elk geval wat het níét is. Donkere materie is geen oceaan van uiterst zwakke dwergsterren. Ook bestaat het niet uit sluiers van donker gas in de intergalactische ruimte. Of uit zwarte gaten – althans niet van het ‘normale’ soort dat sterrenkundigen stukje bij beetje leren kennen. Donkere materie bestaat zelfs niet uit de atomen en moleculen waarmee wij vertrouwd zijn. Het is een volslagen buitenissig en exotisch goedje.

En het heeft vorm gegeven aan het heelal waarin wij leven. Donkere materie fungeert als het geraamte voor de vorming van kosmische structuren. Het maakte het ontstaan mogelijk van clusters, sterrenstelsels, sterren, planeten en uiteindelijk mensen. Maar hoewel het probleem onderzocht wordt door talloze wetenschappers in verschillende disciplines, hebben we het raadsel van de donkere materie maar niet echt op weten te lossen. Aan aanwijzingen en vermoedens geen gebrek, maar harde bewijzen, ho maar. Donkere materie wil zijn ware identiteit maar niet prijsgeven.

Het verhaal van de speurtocht naar donkere materie gaat terug naar de jaren 30 van de vorige eeuw, ook al werd het mysterie pas zo’n vijftig jaar geleden serieus genomen, toen sterrenkundigen zich begonnen te verbazen over de hoge rotatiesnelheden van de buitendelen van spiraalvormige sterrenstelsels zoals ons eigen Melkwegstelsel. Het duurde niet lang voordat ook deeltjesfysici zich ermee gingen bemoeien; het werd namelijk al snel duidelijk dat het raadsel niet opgelost zou kunnen worden zonder het bestaan van een compleet nieuwe materievorm te veronderstellen. En vanwege de kardinale rol die deze donkere materie bleek te spelen in de evolutie van het heelal als geheel werd de speurtocht ernaar ook een hot topic in de kosmologie, die het heelal bestudeert op de grootst mogelijke schalen. Het is een waarlijk multidisciplinair onderzoeksgebied dat waarnemers, theoretici, experimentalisten en bouwers van computermodellen tientallen jaren lang heeft beziggehouden.

Als er gedurende zo’n lange periode zo veel mensen aan het oplossen van een probleem werken, is het in een boek zoals dit ronduit onmogelijk om ze allemaal recht te doen. De olifant in het universum is immers geen academisch leerboek, en het pretendeert ook niet de definitieve geschiedschrijving van het vakgebied te zijn. Als populairwetenschappelijk boek dat zich richt op een geïnteresseerd lekenpubliek biedt het daarentegen wel een brede kennismaking met het onderzoek aan donkere materie in al zijn verrassende verscheidenheid, zonder te verzanden in een overvloed aan details. De persoonlijke verhalen van veel belangrijke spelers op dit terrein geven een indruk van de vindingrijkheid, het doorzettingsvermogen en – soms ook – de koppigheid van wetenschappers die hun hele professionele carrière hebben gewijd aan het oplossen van het grootste mysterie in de kosmos. Ik neem je mee langs afgelegen sterrenwachten en ondergrondse deeltjeslaboratoria. We zullen wetenschappelijke conferenties bijwonen en laboratoria en universiteiten bezoeken om zowel Nobelprijswinnaars als pas gepromoveerde onderzoekers aan de tand te voelen. Helaas konden, vanwege de corona-pandemie, niet al mijn geplande reizen doorgang vinden. Een flink aantal interviews moest telefonisch of via Zoom worden afgenomen.

Onze reis beslaat een breed scala aan onderwerpen die met donkere materie te maken hebben. Hoewel de meeste van de 25 hoofdstukken als op zichzelf staande verhalen kunnen worden gelezen, heb ik ze zodanig gerangschikt dat je een goed beeld krijgt van de omvang van het raadsel, en hoe dit zich in de loop van de decennia heeft ontwikkeld. In het eerste hoofdstuk maak je kennis met James Peebles, natuurkundige aan de Princeton-universiteit, die ook wel de ‘vader’ van het populaire model van de koude donkere materie wordt genoemd, en die in 2019 mede-ontvanger was van de Nobelprijs voor Natuurkunde voor zijn bijdragen aan de theoretische kosmologie. Wat volgt in hoofdstuk 2 is een bezoek aan het ondergrondse Gran Sasso-laboratorium in Italië, dat je alvast een indruk geeft van de experimentele aanpak van het raadsel van de donkere materie, zodat je terdege beseft dat tientallen wetenschappers over de hele wereld ook vandaag de dag werken aan de ontraadseling van dit mysterie.

Nadat je lekker bent gemaakt met deze korte inleidende kennismaking met zowel theorie als experiment, reizen we in hoofdstuk 3 een eeuw terug in de tijd om kennis te maken met de eerste aanwijzingen dat er iets mis was met ons begrip van de materiële inhoud van het heelal. Veel later, in de jaren 70 van de twintigste eeuw, realiseerden fysici zich dat sterrenstelsels zoals ons eigen Melkwegstelsel niet stabiel kunnen zijn zonder enorme, min of meer bolvormige halo’s van donkere materie (hoofdstuk 4). Ook begonnen pioniers zoals sterrenkundige Vera Rubin in te zien dat de snelle rotatie van sterrenstelsels alleen verklaarbaar is als zij veel meer materie bevatten dan wat je kunt waarnemen, zoals beschreven in hoofdstuk 5.

Hoofdstuk 6 gaat vervolgens over onze pogingen om de driedimensionale verdeling van sterrenstelsels in de ruimte in kaart te brengen – met een speciale rol voor het nieuwe Vera C. Rubin-observatorium. En in hoofdstuk 7 duiken we in de oorsprong van de elementen, om te moeten vaststellen dat donkere materie niet uit gewone atomen en moleculen kan bestaan. De doorslaggevende rol die de radioastronomie heeft gespeeld bij de ontdekking dat er werkelijk zoiets als donkere materie bestaat, is het onderwerp van hoofdstuk 8. Daarmee besluiten we het eerste deel van dit boek, waarin de focus vooral op sterrenkundig onderzoek ligt.

De eerste twee hoofdstukken van deel 2 (hoofdstuk 9 en 10) behandelen het groeiende besef, in de tweede helft van de jaren 70, dat het geheimzinnige spul uit relatief traag bewegende (oftewel ‘koude’) elementaire deeltjes bestaat, die verrassend goed passen in de theorie van de supersymmetrie – een veelbelovende kandidaat voor de langgezochte unificatietheorie (‘theorie van alles’). Zo begon donkere materie ook een belangrijke rol te spelen binnen de deeltjesfysica.

Terwijl detailrijke computersimulaties van de evolutie van de grote-schaalstructuur van het heelal (het onderwerp van hoofdstuk 11) de rol van de Weakly Interacting Massive Particles (WIMP’S – ‘zwak wisselwerkende zware deeltjes’) leken te bevestigen, begonnen sommige wetenschappers juist te twijfelen aan de realiteit van de donkere materie. Hun theorie van de Modified Newtonian Dynamics (MOND) – een aangepaste versie van de wetten van Newton – die in hoofdstuk 12 wordt besproken, stelt dat ons begrip van de zwaartekracht aan herziening toe is. Misschien jagen wetenschappers wel op een hersenschim.

In de hoofdstukken 13 en 14 maken we kennis met de belangrijke rol van de zwaartekrachtlenzen (de minieme afbuiging van licht door de zwaartekracht) – als mogelijke weerlegging van de MOND-theorie, maar ook als hulpmiddel voor het opsporen van Massive Compact Halo Objects (MACHO’S) oftewel ‘zware astrofysische compacte halo-objecten’ – een andere kandidaat voor de donkere materie die een deel van het hardnekkige raadsel zou kunnen verklaren. Zoals we zullen zien, heeft de jacht op MACHO’S maar weinig opgeleverd. In plaats daarvan doemde eind jaren 90 nog een ander donker mysterie op: de donkere energie. Wetenschappers kwamen erachter dat de uitdijing van de lege ruimte aan het versnellen is – een rechtstreeks gevolg van de donkere energie. Die ontdekking, en wat die ons vertelt over de globale samenstelling van het heelal, is het onderwerp van de hoofdstukken 15 en 16.

Donkere energie en de theorie van de koude donkere materie zijn geïntegreerd in een kosmologisch model dat lambda-CDM wordt genoemd, waarbij lambda (Λ) voor donkere energie staat. Waarnemingen van de kosmische achtergrondstraling (soms ook wel ‘de nagloed van de schepping’ genoemd) hebben sterk ondersteunend bewijs opgeleverd voor dit populaire model. Bovendien kan deze overgebleven straling, zoals we in hoofdstuk 17 zullen zien, worden vergeleken met de huidige grote-schaalstructuur van het heelal. Dit heeft een gedetailleerd beeld opgeleverd van de kosmische evolutie, waarin de donkere materie een onmiskenbare rol speelt. Ook al kennen we de ware aard ervan niet, we zijn ons wel gaan realiseren dat donkere materie een belangrijk bestanddeel is van de kosmologie – de bestudering van het heelal op de grootst mogelijke schalen.

Deel 3 van het boek behandelt huidige en toekomstige speurtochten naar donkere materie, alsmede enkele van de uitdagingen waar de hedendaagse kosmologie zich voor geplaatst ziet. In de hoofdstukken 18 en 19 lees je over de technisch geavanceerde experimenten waarmee wetenschappers proberen om donkere-materiedeeltjes rechtstreeks te detecteren. Daarbij wordt gebruik gemaakt van uiterst gevoelige instrumenten in diepe grotten en tunnels, die afscherming bieden tegen de kosmische straling die de metingen anders zou verstoren. Verrassend genoeg kan kosmische straling zelf ook kenmerken vertonen die karakteristiek zijn voor vervallende donkere-materiedeeltjes in de ruimte – het onderwerp van hoofdstuk 20.

De hoofdstukken 21 en 22 beschrijven een aantal zorgwekkende problemen met het populaire kosmologische concordantiemodel, die vrij recent zijn opgedoken. Op dit moment weet nog niemand hoe ernstig deze problemen op termijn zullen zijn, maar theoretici zijn al druk bezig om alternatieve ideeën en hypotheses te ontwikkelen. In de hoofdstukken 23 en 24 passeren enkele daarvan de revue. Het slothoofdstuk van dit boek probeert vooruit te kijken, al laat zich onmogelijk voorspellen welke van de toekomstige experimenten en observatoria het honderd jaar oude raadsel van de donkere materie uiteindelijk zal oplossen. Laten we vooral hopen dat het niet nog eens honderd jaar zal duren.

Als wetenschapsjournalist die gespecialiseerd is in alles wat zich boven de aardatmosfeer afspeelt, heb ik me waarschijnlijk wat meer gericht op de sterrenkunde dan op de deeltjesfysica, al heb ik natuurlijk geprobeerd om een gebalanceerd beeld te schetsen. Ook heb ik ervoor gekozen om meer de nadruk te leggen op vroegere ontwikkelingen, goed onderbouwde ideeën en huidige experimenten dan op nieuwe, speculatieve theorieën, onbevestigde resultaten en mogelijke toekomstige instrumenten – als dat blijvertjes zijn, zul je daar ongetwijfeld in een toekomstig boek van iemand anders over lezen.

De jacht op donkere materie duurt voort, maar hoewel ze nog niet is voltooid, heeft ze ons nu al meer geleerd over allerlei astronomische en fysische verschijnselen – van snel draaiende sterrenstelsels, gravitatielenzen en de grootschalige structuur van het heelal tot de vorming van atoomkernen bij de oerknal en intrigerende patronen in de kosmische achtergrondstraling. De speurtocht heeft ook geleid tot andere veelbelovende theorieën en tot speculaties over supersymmetrie en nog niet ontdekte leden van de menagerie van elementaire deeltjes. Terwijl ze op zoek waren naar de ware identiteit van het leeuwendeel van het heelal, hebben wetenschappers enkele van de meest intrigerende raadsels van de natuur opgelost, en de verbluffende complexiteit aan het licht gebracht van de wereld waar wij onlosmakelijk deel van uitmaken.

Govert Schilling, 2021

Deel 1

OOR

1

Moeilijke materie

Phillip James Edwin Peebles, Albert Einstein professor emeritus of science aan de Princeton-universiteit, Fellow of the American Physical Society en de Royal Society, gelauwerd met de Nobelprijs voor Natuurkunde 2019 en peetvader van de theorie van de koude donkere materie, staat langzaam op van zijn bureau en loopt naar een boekenplank aan de tegenoverliggende muur, waar hij twee lege plastic flessen oppakt.¹

Hij blaast over de opening van de grootste fles. Een laag, trillend geluid vult de kamer. Dan houdt hij de kleinere fles bij zijn lippen. Er klinkt een ander, veel hoger geluid. ‘Het is hetzelfde principe,’ zegt Peebles, met een karakteristieke bescheiden glimlach op zijn gezicht. ‘Elke grootte heeft zijn eigen voorkeursfrequentie, en omgekeerd.’

Maar wacht eens even. Zoiets simpels levert je geen Nobelprijs op, toch? Nou, dat doet het wel als je erin slaagt het toe te passen op geluidsgolven in het pasgeboren heelal. Als je helpt bewijzen dat sterrenstelsels niet stabiel kunnen zijn zonder grote hoeveelheden mysterieuze donkere materie. En als je vervolgens de basis legt voor het huidige standaardmodel van de kosmologie – de overkoepelende wetenschap van alles wat er bestaat.

Vandaar dat Peebles op dinsdag 8 oktober 2019 om 5 uur ’s ochtends dat magische telefoontje van de Zweedse Academie van Wetenschappen kreeg. Hij zou de helft van de Nobelprijs voor Natuurkunde 2019 ontvangen – zo’n 820.000 euro – voor zijn ‘theoretische ontdekkingen op het gebied van de fysische kosmologie’. ‘Lieve hemel,’ zei z’n vrouw Alison toen ze het nieuws hoorde. Daarna maakte Peebles, net als elke dag, de wandeling van anderhalve kilometer van zijn huis in Princeton naar zijn werkkamer op de tweede verdieping van Jadwin Hall, zijn 84-jarige hoofd vol verwarde gedachten.

En dan te bedenken dat Jim Peebles zich nooit had voorgesteld om kosmoloog te worden. Hij werd in 1935 geboren in de Canadese stad Saint Boniface (inmiddels onderdeel van de metropool Winnipeg). De kleine Jim was een knutselaar – een Willie Wortel in de dop die het tijdschrift Mechanics Illustrated verslond, elektrische apparaten bouwde, met buskruit experimenteerde en verliefd werd op stoomtreinen. Natuurlijk ging hij weleens naar buiten als het noorderlicht zijn stille dans aan de winterhemel van Manitoba uitvoerde, en hij wist ook heus wel waar de Poolster aan de hemel te vinden was. Maar de astronomie had nooit zijn technische hart veroverd. Toen hij als student voor het eerst kennismaakte met de kosmologie, vond hij het vakgebied zelfs ‘uitermate saai, en ad hoc en ongeloofwaardig,’ zoals hij astronoom Martin Harwit ooit vertelde.²

Daar kwam geleidelijk verandering in toen hij zich in het najaar van 1958 in Princeton als promovendus aansloot bij de onderzoeksgroep van de briljante natuurkundige Robert Dicke. Op vrijdagavonden organiseerde Dicke seminars op de natuurkunde-afdeling van de universiteit, waar studenten, postdocs en hoogleraren vrijuit discussieerden over elk wetenschappelijk onderwerp dat hun interesse wekte. Aanvankelijk geïntimideerd door de kennis van de quantumfysica of de algemene relativiteitstheorie die anderen tentoonspreidden, begon Peebles deze informele bijeenkomsten al snel te waarderen, en niet alleen vanwege het biertje dat na afloop soms werd gedronken. En al snel bleek Dicke’s voorliefde voor de kosmologie besmettelijk te zijn.

Na zijn promotie in 1962 (op het vraagstuk of de sterkte van de elektromagnetische kracht mettertijd verandert) bleef Peebles in Princeton, waar hij samenwerkte met Dicke en twee andere postdocs, David Wilkinson en Peter Roll. Op een verbleekte kleurenfoto uit die tijd, die hij toonde tijdens zijn officiële Nobel-lezing in de grote aula van de Universiteit van Stockholm, is hij te zien als een lange, tengere jongen met sluik zwart haar, een bril en een IJslandse trui – alsof hij zijn publiek duidelijk wilde maken dat hij gewoonlijk geen smoking draagt.

David Wilkinson (links), James Peebles (midden) en Robert Dicke (rechts) met de ontvanger die zij begin jaren 60 bouwden om de kosmische achtergrondstraling te bestuderen.

Peebles’ carrière kwam op stoom op een smoorhete dag in de zomer van 1964. Op de warme, benauwde zolder van het Palmer Physics Lab ontvouwde Dicke zijn ambitieuze plannen om te gaan zoeken naar de verwachte reststraling van het pasgeboren heelal – een ‘vuurzee’ die nog miljoenen graden heter was dan welke zolder ook. Dave en Peter werden belast met het bouwen van de apparatuur die nodig was om die reststraling te detecteren. ‘Dus Jim,’ zei Dicke, ‘waarom duik jij niet in de onderliggende theorie?’

Inderdaad, waarom niet?

Peebles rekende uit hoe het hete plasma van het vroege, uitdijende heelal – een mengsel van elektrisch geladen deeltjes – in wisselwerking moet zijn geweest met de energierijke straling. Zo zou een dichte, stroperige vloeistof zijn ontstaan, klotsend en vibrerend als een soort oersoep. Toen zo’n 380.000 jaar na de oerknal de temperatuur ver genoeg was gedaald om neutrale atomen te vormen, raakten materie en straling ‘ontkoppeld’: de eigenschappen van de een bepaalden niet langer het gedrag van de ander. De straling kon zich nu ongehinderd door het heelal voortplanten, en koelde af tot de zwakke kosmische achtergrondgloed waar Dicke naar op zoek was. En de materie bleef achter met een karakteristiek patroon van gebieden met hogere en lagere dichtheid, waarvan de afmetingen werden bepaald door de frequenties van de oorspronkelijke geluidsgolven.

Afmeting is gerelateerd aan frequentie, en omgekeerd. Dat is de link met de plastic flessen die de Albert Einstein Professor Emeritus of Science spelenderwijs in muziekinstrumenten liet veranderen – hetzelfde principe is van toepassing op het heelal als geheel. Mettertijd zou de materie verder condenseren tot sterrenstelsels, en vanwege de ingevroren ‘baryonische akoestische oscillaties’, zoals het ontstane patroon wordt genoemd, zouden deze stelsels niet gelijkmatig over de ruimte zijn verspreid. Met andere woorden: de huidige grote-schaalstructuur van het heelal is bepaald door gebeurtenissen kort na de oerknal.

Het is een gecompliceerd verhaal, dat je gerust even mag vergeten – op de baryonische akoestische oscillaties komen we in hoofdstuk 17 terug. Voor nu is het voldoende om te weten dat Jim Peebles rond zijn dertigste verjaardag al snel het talent ontwikkelde om zo groot mogelijk te denken – misschien niet over het leven, maar toch zeker over het heelal en de rest. Daar hoef je geen 42 voor te zijn.

Hij raakte niet eens van slag door het feit dat in 1964 twee radiotechnici – Arno Penzias en Robert Wilson bij Bell Laboratories in het nabijgelegen Holmdel – de Princeton-groep te vlug af waren bij het detecteren van de kosmische achtergrondstraling. ‘Nou jongens, ik denk dat iemand ons vóór is geweest,’ zei een teleurgestelde Dicke tegen Dave, Peter en Jim, nadat hij telefonisch te horen had gekregen over de ontdekking. Peebles vond het juist heel spannend. Het was geen speculatie meer: er was daarbuiten echt iets dat je kon onderzoeken.

Jim Peebles werd aangestoken door het kosmologievirus, en is daar nooit meer van afgekomen. Al snel gaf hij hoorcolleges over het onderwerp dat hem ooit buitengewoon saai en ongeloofwaardig had geleken. Zijn boek Physical Cosmology verscheen in het najaar van 1971 – een jaar voordat Peebles tot Princeton-hoogleraar werd benoemd.³ De eerste editie heeft een prominente plek op de boekenplank naast zijn bureau, dicht bij een actiefiguur van Albert Einstein.

Fysische kosmologie… Eeuwenlang – nee, millennia-lang – waren het ontstaan en de evolutie van het heelal behandeld als een soort metafysica. Een heelal dat rust op de ruggen van olifanten en reusachtige schildpadden; een heilige scheppingsdaad in een niet al te ver verleden. Maar eindelijk begon de mythologische mist op te trekken en maakten de heilige verhalen plaats voor een kritische blik en voor wetenschappelijk onderzoek. Kosmologie werd iets dat je kon aanraken, uit elkaar halen, begrijpen en bewonderen. Of waar je zelfs verliefd op kon worden, net als op een stoomlocomotief.

Een halve eeuw later zit Nobelprijswinnaar Phillip James Edwin Peebles, gekleed in een informele spijkerbroek en een mosgroene sweater, gebogen over zijn computerbeeldscherm, zet hij zijn bril af om de kleine letters op het scherm te kunnen onderscheiden, doorzoekt hij een archief met wetenschappelijke artikelen en gaat hij geheel op in historische details. Sinds 1971, ongeveer een halve eeuw geleden, is er zoveel gebeurd. Zoveel adembenemende ontdekkingen zijn er gedaan en zoveel doodlopende steegjes verkend. Zoveel raadsels! Maar geleidelijk is het besef ontstaan dat ons heelal, ons eigen bestaan wordt beheerst door een geheimzinnige substantie. Een substantie die bij gebrek aan beter ‘donkere materie’ wordt genoemd. Om Star Trek te parafraseren: ‘It’s matter, Jim, but not as we know it.’

Ja, al in de lang vervlogen jaren 30 waren de eerste aanwijzingen gevonden, maar pas in de jaren 70 en 80 verscheen het raadsel van de donkere materie echt ten tonele, als een hoofdrolspeler die pas in het derde bedrijf opduikt en de plot van het stuk een verrassende wending geeft. ‘Er is meer tussen hemel en aarde, Horatio, dan jouw geest kan bevatten.’

De details zullen moeten wachten (we hebben nog driehonderd pagina’s te gaan), maar er waren tal van ontdekkingen die alleen begrepen konden worden als het heelal gevuld was met donkere materie. Zo was er bijvoorbeeld Peebles’ eigen onderzoek naar de klonterige verdeling van sterrenstelsels in de ruimte, nog vóór astronomen betrouwbare driedimensionale kaarten konden maken. Zijn theoretische onderzoek, samen met Princeton-collega Jeremiah Ostriker, naar de stabiliteit van schijfstelsels – onmogelijk tenzij ze zijn omgeven door zware, donkere halo’s. Carnegie-wetenschappers Vera Rubin en Kent Ford, die de eersten waren (of misschien toch niet?) die aantoonden dat de buitendelen van sterrenstelsels veel sneller roteren dan zonder donkere materie valt te verklaren.

En de steeds gedetailleerdere waarnemingen van de kosmische achtergrondstraling, die lieten zien dat het pasgeboren heelal – heel toepasselijk – zo glad was als een babyhuid. Het was dit onverwachte resultaat, zegt Peebles, dat hem er in 1982 toe bracht om zijn model van de koude donkere materie op te stellen. Er was namelijk een probleem: óf het hete plasma in het vroege heelal was te glad, óf de huidige grote-schaalstructuur van het heelal is te klonterig. Het was één van beide: in een altijd uitdijend heelal is de zwaartekracht namelijk te zwak om de gladde toestand van toen te veranderen in de klonterige toestand van nu.

Tenzij.