info@wetenschapsnet.com

Het mysterie van donkere materie en donkere energie

Wetenschap is voor iedereen

Het mysterie van donkere materie en donkere energie

Wat is donkere materie?

Het zit zo, er is te veel zwaartekracht in het universum. Zwaartekracht is de vervorming van ruimtetijd door de materie die erin beweegt. Alle materie die wij kunnen zien en dus onderdeel is van het elektromagnetisch spectrum zouden samen veel te weinig zwaartekracht “leveren” om de vervormingen en zwaartekracht effecten die zijn waargenomen te verklaren. Hierdoor weten we dus dat er iets mist, iets met veel massa. Dit hebben natuurkundigen ‘donkere materie’ genoemd, omdat we het niet kunnen zien.

Donkere materie is een vorm van materie waarvan gedacht wordt dat deze ongeveer 85% uitmaakt van de totale hoeveelheid materie in het universum en ongeveer een kwart van de totale energiedichtheid. Nogmaals, de aanwezigheid ervan wordt voorspelt door een verscheidenheid aan astrofysische waarnemingen, waaronder gravitatie-effecten die niet kunnen worden verklaard door geaccepteerde theorieën van zwaartekracht tenzij er meer materie aanwezig is dan kan worden gezien. Om deze reden denken de meeste experts dat donkere materie overvloedig aanwezig is in het universum en een sterke invloed heeft gehad op de structuur en evolutie ervan.

Donkere materie wordt donker genoemd omdat het geen interactie lijkt te hebben met waarneembare elektromagnetische straling, zoals het zichtbare licht dat wij mensen kunnen zien, en dus onzichtbaar is. Hierdoor is het niet detecteerbaar met behulp van bestaande astronomische instrumenten.

Wetenschappers schatten de samenstelling van de totale energiedichtheid van het universum als volgt: 68% donkere energie, 27% donkere materie, 5% normale materie.

Totale energiedichtheid in het universum

We zijn veel zekerder over wat donkere materie niet is dan over wat het wel is.

Ten eerste is het donker, wat betekent dat het geen licht is (het bestaat dus niet uit fotonen). Waarnemingen tonen aan dat er veel te weinig zichtbare materie in het universum is om de 27% te maken die vereist is voor de waarnemingen. Ten tweede is het niet in de vorm van donkere wolken van normale materie – materie die bestaat uit deeltjes die baryons worden genoemd. We weten dit omdat we in staat zouden zijn om baryonische wolken te detecteren door hun absorptie van straling die erdoorheen gaat. Ten derde is donkere materie niet antimaterie, omdat we niet de unieke gammastralen zien die worden geproduceerd wanneer antimaterie en materie annihileren – materie en antimaterie worden vernietigd wanneer ze elkaar “aanraken”, wanneer ze dat doen is er een explosie, die een enorme hoeveelheid energie (straling) vrijlaat. Ten slotte kunnen we massieve zwarte gaten ter grootte van een sterrenstelsel uitsluiten op basis van het aantal zwaartekrachtlenzen dat we zien. Hoge concentraties materie buigen licht dat dicht bij hen passeert van objecten verder weg, maar we zien niet genoeg lensgebeurtenissen om te suggereren dat dergelijke objecten de vereiste bijdrage van 25% donkere materie vormen.

Donkere energie

Meer is onbekend dan bekend. We weten hoeveel donkere energie er is omdat we weten hoe het de uitdijing van het universum beïnvloedt – ja, het universum groeit, een compleet mysterie. Maar het is een belangrijk mysterie. Het blijkt dat ongeveer 68% van het hele universum donkere energie is. Donkere materie maakt ongeveer 27% uit. De rest – alles op aarde, alles wat we ooit hebben waargenomen met al onze instrumenten, alle normale materie (een stoel, een boom, jij en ik, elke ster, etc.) – komt neer op minder dan 5% van het universum.

Toen Einstein de algemene relativiteitstheorie opstelde, stelde hij vast dat het resulterende systeem geen statische oplossing had. Zet een aantal massa’s bij elkaar, en ze zullen onherroepelijk elkaar aantrekken. Omdat men toen geloofde dat het heelal wel statisch was, voegde hij een extra kosmologische constante toe, die de ruimte uit zichzelf de mogelijkheid gaf uit te dijen of in te krimpen. Als deze constante de juiste waarde had, kon hij precies de ineenstorting van het heelal tegengaan.

Het duurde slechts een paar jaar voor de kosmologische constante op de schroothoop werd gegooid. De wet van Hubble werd ontdekt, en daarmee de uitdijing van het heelal. Het heelal was dus niet statisch, en de aantrekking van de zwaartekracht zorgde simpelweg voor een vertraging van deze uitdijing. Bovendien bleek uit diepere berekeningen dat de kosmologische constante ook niet werkte om het heelal statisch te houden — het heelal zou alleen statisch zijn en blijven als het volmaakt uniform was. Elke afwijking daarvan zorgt voor hetzij uitdijing, hetzij inkrimping. Einstein zou de toevoeging van de kosmologische constante aan zijn metrische tensorvergelijking een paar jaar later de grootste blunder uit zijn carrière noemen.

In de moderne kwantummechanica steekt de kosmologische constante echter weer de kop op. Hij heeft namelijk een heel eenvoudige natuurkundige betekenis: het is de energie-inhoud van het vacuüm. Hoewel het in Einsteins tijd aannemelijk was dat deze energie-inhoud nul was, is dat tegenwoordig niet het geval; de aanwezigheid van virtuele deeltjes zorgt ervoor dat ook in het vacuüm nog steeds energie aanwezig is.

Vanuit de kwantumfysica zijn pogingen ondernomen om de waarde van deze kosmologische constante te berekenen. De gevonden waarden zijn echter veel groter dan uit kosmologische overwegingen mogelijk wordt gehouden – tot 10150 keer zo groot. Juist door dit grote verschil werd in de jaren 80 en 90 aangenomen dat de kosmologische constante toch nul zou zijn – het leek veel waarschijnlijker dat een of ander nog onbekend symmetrie-argument zorgde dat de diverse factoren elkaar precies ophieven dan dat de som van een aantal getallen van dergelijke grootteordes wel bijna, maar niet precies nul zou zijn. Dit veranderde echter toen men in 1998 ontdekte dat de uitdijing van het heelal niet vertraagde maar versnelde. Een dergelijk gedrag kan eigenlijk alleen door een kosmologische constante verklaard worden. Helaas begrijpt niemand waarom de kosmologische constante er zelfs zou moeten zijn, laat staan ​​waarom het precies de juiste waarde zou hebben om de waargenomen versnelling van het universum te veroorzaken.

Dus een verklaring voor wat donkere energie kan zijn, is dat het een eigenschap van ruimtetijd is. Albert Einstein was de eerste die besefte dat lege ruimte niet niets is. De ruimte heeft verbazingwekkende eigenschappen, waarvan we er nog maar net van beginnen te begrijpen. De eerste eigenschap die Einstein ontdekte, is dat er meer ruimte kan ontstaan vanuit zichzelf. Dan geeft een versie van de algemene relativiteitstheorie van Einstein ons een tweede voorspelling: “lege ruimte” kan zijn eigen energie bezitten. Omdat deze energie zelf een eigenschap van de ruimte is, zou deze niet worden verdund naarmate de ruimte groter wordt. Naarmate er meer ruimte ontstaat, zou er meer van deze “energie” verschijnen. Als gevolg hiervan zou deze vorm van energie ervoor zorgen dat het universum sneller en sneller uitbreidt.

Een andere verklaring voor donkere energie is dat het een nieuw soort dynamische energievloeistof of veld is, iets dat het hele universum vult, maar met een tegenovergesteld effect op de expansie van het universum in vergelijking met ‘normale’ materie. Maar als dit het antwoord is, weten we nog steeds niet hoe het is, waar het mee samenwerkt of waarom het zelfs bestaat.

Een laatste mogelijkheid is dat Einsteins zwaartekrachttheorie niet correct is. Dat zou niet alleen de uitbreiding van het universum beïnvloeden, maar ook de manier waarop normale materie in sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels zich gedragen. Dit zou een manier zijn om te beslissen of de oplossing voor het donkere energieprobleem een ​​nieuwe zwaartekrachttheorie is of niet. Maar als blijkt dat een nieuwe zwaartekrachttheorie nodig is, wat voor soort theorie zou dat zijn? Hoe kon het de beweging van de lichamen in het zonnestelsel correct beschrijven, zoals Einsteins theorie bekend staat te doen, en ons nog steeds de andere voorspelling voor het universum geven die we nodig hebben? Er zijn kandidaat-theorieën, zoals de theorie van de Nederlandse fysicus Erik Verlinde.

Voordat we betere theorieën of voorspellingen kunnen maken, is er meer data nodig.

Ontwikkeling van ons universum
Deel dit bericht:

Tags: , , , , , , , , , ,

nl_NLDutch
en_GBEnglish nl_NLDutch