De zoektocht naar donkere materie -- en wat we tot nu toe gevonden hebben

Zo'n 85 procent van de massa in het universum is 'donkere materie' -- mysterieus materiaal dat niet direct geobserveerd kan worden maar een gigantische invloed op de kosmos heeft. Wat is dit rare spul precies en wat heeft het te maken met ons bestaan? Sterrenkundige Risa Wechsler onderzoekt waarom donkere materie de sleutel zou kunnen zijn tot inzicht in hoe het universum is ontstaan -- en vertelt hoe natuurkundigen in laboratoria over de hele wereld creatieve manieren verzinnen om het te bestuderen.

Denk je wel eens na
over wat er zou gebeuren

als de wereld er iets anders uitzag?

Hoe anders je leven zou zijn

als je over 5.000 jaar geboren zou zijn

in plaats van vandaag?

Hoe de geschiedenis anders zou zijn

als de continenten
op andere breedtegraden lagen,

of hoe het leven in het zonnestelsel
zich zou hebben ontwikkeld

als de zon 10 procent groter zou zijn.

Spelen met al deze soorten mogelijkheden

is wat ik voor de kost doe,

maar dan met het hele universum.

Ik creëer modeluniversa in een computer.

Digitale universa die
verschillende beginpunten hebben

en zijn gemaakt van verschillende
hoeveelheden en soorten materialen.

Dan vergelijk ik die universa
met die van ons

om te zien waar ze van gemaakt zijn
en hoe ze evolueerden.

Dit proces van het testen van modellen
met afmetingen van de hemel

heeft ons al gigantisch veel geleerd
over ons universum.

Een van de vreemdste dingen
die we leerden,

is dat het meeste materiaal
in het universum

is gemaakt van iets
dat totaal verschilt van jou en mij.

Maar zonder dat

zou het universum
zoals we dat kennen niet bestaan.

Alles wat we met telescopen kunnen zien,

vormt slechts zo'n 15 procent
van de totale massa in het universum.

Al het andere, 85 procent ervan,

straalt geen licht uit
of absorbeert geen licht.

We kunnen het niet met onze ogen zien,

we kunnen het niet
met radiogolven detecteren

of met microgolven
of elk ander soort licht.

Maar we weten dat het er is

vanwege zijn invloed
op wat we kunnen zien.

Het is een beetje als het in kaart brengen

van het oppervlak van de aarde
en alles wat zich daarop bevindt,

op basis van deze foto van de aarde
die 's nachts genomen is vanuit de ruimte.

Je krijgt wel hints
door de locaties van het licht,

maar er is veel wat je niet kan zien,

variërend van mensen tot bergketens.

En je moet uit deze beperkte
aanwijzingen afleiden wat er is.

We noemen dit onzichtbare spul
'donkere materie'.

Veel mensen hebben gehoord
over donkere materie,

maar zelfs als je erover gehoord hebt,

lijkt het waarschijnlijk abstract,

ver weg, waarschijnlijk
zelfs onbelangrijk.

Het interessante is

dat donkere materie overal om ons heen is

en waarschijnlijk zelfs hier.

Donkere materiedeeltjes

bewegen zich waarschijnlijk
op dit moment door je lichaam

terwijl je in deze zaal zit.

Omdat we op de aarde zijn,

en de aarde om de zon draait,

en de zon door ons sterrenstelsel raast

met zo'n 800.000 kilometer per uur.

Maar donkere materie botst niet met ons.

Het gaat dwars door ons heen.

Dus hoe komen we hier meer over te weten?

Wat is het en wat heeft het
met ons bestaan te maken?

Om erachter te komen hoe we zijn ontstaan,

moeten we eerst begrijpen
hoe ons sterrenstelsel is ontstaan.

Dit is een foto van ons sterrenstelsel,
de Melkweg, vandaag.

Hoe zag het er 10 miljard jaar geleden uit

of hoe zal het er over
10 miljard jaar uitzien?

Hoe zit het met de geschiedenis

van de honderden miljoenen
andere sterrenstelsels

die we al in kaart hebben gebracht
door grote studies van de hemel?

Hoe zou hun geschiedenis anders zijn

als het universum
van iets anders gemaakt was

of als er zich meer of minder
materie in bevond?

Het interessante over deze modeluniversa

is dat ze ons toestaan
deze mogelijkheden te testen.

Laten we teruggaan naar
het eerste moment van het universum --

een fractie van een seconde na de oerknal.

Op dit eerste moment

was er helemaal geen materie.

Het universum breidde zich zeer snel uit.

Kwantummechanica vertelt ons

dat materie continu
wordt gemaakt en vernietigd,

op elk moment.

Op dat moment breidde
het universum zich zo snel uit

dat de materie die gecreëerd werd
niet vernietigd kon worden.

Daarom denken we dat alle materie
gedurende die periode gecreëerd is.

Zowel de donkere materie

als de gewone materie
waar jij en ik uit bestaan.

Laten we nog iets verder gaan

naar een tijd na de creatie van materie,

nadat protonen en neutronen
waren ontstaan,

nadat waterstof was ontstaan,

zo'n 400.000 jaar na de oerknal.

Het universum was heet
en compact en heel erg gelijkmatig,

maar niet perfect gelijkmatig.

Deze afbeelding, genomen met
een ruimtetelescoop, de Plancksatelliet,

laat ons de temperatuur
van het universum zien

in alle richtingen.

En wat we zien,

is dat er plaatsen waren
die een beetje heter

en compacter waren dan andere.

De vlekken in dit plaatje

laten plaatsen zien waar meer of minder
massa was in het vroege universum.

Deze vlekken werden groot
door de zwaartekracht.

Het universum breidde zich uit
en werd minder compact

gedurende de afgelopen 13,8 miljard jaar.

Maar de zwaartekracht
werkte hard op de plekken

waar er iets meer massa was

en trok steeds meer massa
naar die gebieden.

Dit is allemaal
wat moeilijk voor te stellen,

dus zal ik jullie laten zien
waar ik het over heb.

De computermodellen die ik noemde
laten ons deze ideeën testen,

dus laten we kijken naar een daarvan.

Dit filmpje, gemaakt
door mijn onderzoeksgroep,

laat zien wat er met het universum
gebeurde na de eerste momenten.

Je ziet dat het universum
gelijkmatig begint,

maar er waren gebieden

waar er wat meer materiaal was.

De zwaartekracht ging aan
en bracht steeds meer massa

naar die plekken die begonnen
met een beetje meer.

In de loop van de tijd

krijg je genoeg spul op een plek,

waardoor het waterstofgas,

dat aanvankelijk goed gemengd was
met de donkere materie,

zich er los van begint te maken,

afkoelt, sterren vormt,

en zo krijg je een klein sterrenstelsel.

In de loop van de tijd,
na miljarden jaren,

botsen de kleine sterrenstelsels
tegen elkaar aan,

voegen zich samen, groeien,
en worden grotere sterrenstelsels,

zoals de Melkweg,
ons eigen sterrenstelsel.

Wat gebeurt er als er geen
donkere materie is?

Als er geen donkere materie is,

worden die plekken nooit klonterig genoeg.

Er is minstens een miljoen keer
de massa van de zon nodig

in een compacte locatie

voordat er sterren kunnen vormen.

Zonder donkere materie

komt er nooit genoeg spul op een plek.

Hier zien we twee universa naast elkaar.

In een ervan kan je zien

dat dingen snel klonterig worden.

In dat universum

is het heel makkelijk
om sterrenstelsels te vormen.

In het andere universum

zijn er dingen die beginnen
als kleine klonten,

die blijven gewoon heel klein.

Er gebeurt niet veel.

In dat universum zou ons sterrenstelsel
niet kunnen ontstaan.

Of welk ander sterrenstelsel dan ook.

De Melkweg zou er niet ontstaan,

de zon zou er niet ontstaan,

wij zouden er niet ontstaan.

We zouden niet kunnen bestaan
in dat universum.

Oké, dit gekke spul, donkere materie,
vormt het grootste deel

van de massa in het universum,

het beweegt zich nu door ons heen,
we zouden niet bestaan zonder.

Wat is het?

We hebben geen idee.

(Gelach)

We hebben wel veel beredeneerde gokken

en heel veel ideeën over
hoe we meer te weten kunnen komen.

De meeste natuurkundigen denken
dat donkere materie een deeltje is

dat op veel manieren lijkt
op de bekende subatomische deeltjes,

zoals protonen en neutronen en elektronen.

Wat het ook is,

het gedraagt zich gelijkaardig
wat betreft zwaartekracht.

Maar het straalt geen licht uit
en absorbeert geen licht

en gaat dwars door normale materie heen

alsof dat er niet eens was.

We willen weten welk deeltje het is.

Hoe zwaar is het bijvoorbeeld?

Of gebeurt er ook maar iets
als het interageert met normale materie?

Natuurkundigen hebben goede ideeën
over wat het zou kunnen zijn,

ze zijn zeer creatief.

Maar het is heel erg moeilijk

omdat die ideeën veelomvattend zijn.

Het kan zo klein zijn
als de kleinste subatomische deeltjes,

of zo groot als de massa van 100 zonnen.

Hoe komen we erachter wat het is?

Natuurkundigen en astronomen

hebben veel manieren
om naar donkere materie te zoeken.

Een van de dingen die we doen
is het bouwen van gevoelige detectoren

in diepe ondergrondse mijnen.

We wachten op de mogelijkheid

dat een donkere materiedeeltje,
dat door ons en de aarde heen beweegt,

een compacter materiaal raakt

en een spoor van zijn doorgang achterlaat.

We zoeken naar
donkere materie in de hemel,

vanwege de kans
dat donkere materiedeeltjes

tegen elkaar aan botsen

en licht met veel energie creëren
dat we zouden kunnen zien

met speciale telescopen
voor gammastraling.

We proberen zelfs hier op aarde
donkere materie te maken

door deeltjes tegen elkaar te laten botsen
en te kijken wat er gebeurt,

in de Large Hadron Collider
in Zwitserland.

Tot nu toe

hebben al deze experimenten
ons veel geleerd

over wat donkere materie niet is.

(Gelach)

Maar nog niet wat het wel is.

Er waren zeer goede ideeën
over wat donkere materie had kunnen zijn

die deze experimenten
gezien zouden hebben.

Ze hebben die nog niet gezien,

dus moeten we blijven zoeken
en dieper nadenken.

Een andere manier om een idee te krijgen
van wat donkere materie is,

is het bestuderen van sterrenstelsels.

We hadden al gesproken

over hoe ons sterrenstelsel
en vele anderen niet eens zouden bestaan

zonder donkere materie.

Deze modellen doen ook voorspellingen

over veel andere dingen
over sterrenstelsels:

hoe ze verdeeld zijn in het universum,

hoe ze bewegen,

hoe ze door de tijd heen evolueren.

En we kunnen deze voorspellingen toetsen
door observaties van de hemel.

Ik zal jullie twee voorbeelden geven

van dit soort metingen
die we van sterrenstelsels kunnen doen.

Ten eerste kunnen we met sterrenstelsels
kaarten van het universum maken.

Ik maak deel uit van
het 'Dark Energy Survey'-onderzoek,

dat de grootste kaart van het universum
tot nu toe heeft gemaakt.

We maten de posities en vormen
van 100 miljoen sterrenstelsels,

meer dan een achtste deel van de hemel.

Deze kaart laat alle materie
in dit gedeelte van de hemel zien,

afgeleid uit het licht dat vervormd wordt
door deze 100 miljoen sterrenstelsels.

Het licht werd vervormd door alle materie

tussen die sterrenstelsels en onszelf.

De zwaartekracht van de materie is
sterk genoeg om lichtstralen te verbuigen.

En dat levert dit plaatje op.

Deze soorten kaarten

kunnen ons vertellen
hoeveel donkere materie er is.

Ze vertellen ons ook waar het is

en hoe het verandert
in de loop van de tijd.

We proberen erachter te komen
waar het universum van gemaakt is

op de allergrootste schaal.

Het blijkt dat de kleinste
sterrenstelsels in het universum

de beste aanwijzingen geven.

Waarom is dat het geval?

Hier zijn twee voorbeelden
van gesimuleerde universa,

met twee verschillende soorten
donkere materie.

Beide plaatjes laten een regio zien

rond een sterrenstelsel zoals de Melkweg.

Je kan zien dat er zich
veel andere materialen omheen bevinden,

kleine klontjes.

In het rechterplaatje

bewegen de donkere materiedeeltjes
langzamer dan in het linkerplaatje.

Als die donkere materiedeeltjes
heel snel bewegen,

dan is de zwaartekracht
in kleine klontjes niet sterk genoeg

om die snelle deeltjes te vertragen.

En dan blijven ze bewegen.

Ze vallen nooit uiteen
in deze kleine klontjes.

Dan blijven er minder van over
dan in het universum aan de rechterkant.

Als je deze kleine kontjes niet hebt,

dan krijg je minder
kleine sterrenstelsels.

Als je naar de zuidelijke hemel kijkt,

kun je twee van deze
kleine sterrenstelsels zien,

de grootste van de kleine sterrenstelsels
die rond onze Melkweg draaien:

de Grote Magelhaense Wolk
en de Kleine Magelhaense Wolk.

In de afgelopen jaren

hebben we meer nog kleinere
sterrenstelsels ontdekt.

Dit is een voorbeeld van een daarvan,

die we ontdekten in hetzelfde
donkere energie-onderzoek

dat we gebruikten om
kaarten van het universum te maken.

Deze hele kleine sterrenstelsels,

sommigen ervan zijn extreem klein.

Sommigen hebben slechts
een paar honderd sterren,

vergeleken met de paar honderd miljard
sterren in onze Melkweg.

Dat maakt ze moeilijk te vinden.

In het laatste decennium

hebben we er nog een aantal van gevonden.

We kennen nu 60 van deze
piepkleine sterrenstelsels

die rond onze eigen Melkweg draaien.

En deze kleine jongens geven
veel aanwijzingen over donkere materie.

Alleen al het bestaan
van deze sterrenstelsels vertelt ons

dat donkere materie
niet zo snel kan bewegen

en dat er niet veel kan gebeuren
als het normale materie tegenkomt.

In de komende jaren

gaan we nog veel nauwkeuriger
kaarten van de hemel maken.

En deze zullen helpen
met het verfijnen van de films

over het totale universum
en het hele sterrenstelsel.

Natuurkundigen ontwikkelen ook nieuwe,
gevoeligere experimenten

om een teken van donkere materie
op te vangen in hun laboratoria.

Donkere materie is nog een groot mysterie.

Het is een spannende tijd
om hieraan te werken.

We hebben duidelijk bewijs
dat het bestaat.

Vanaf de schaal van
de kleinste sterrenstelsels

tot de schaal van het hele universum.

Zullen we het daadwerkelijk vinden
en erachter komen wat het is?

Ik heb geen idee.

Maar het gaat heel leuk zijn
om erachter te komen.

We hebben veel mogelijkheden
om dingen te ontdekken

en we zullen zeker meer leren
over wat het doet

en over wat het niet doet.

Ongeacht of we het deeltje
binnenkort vinden,

hoop ik dat ik jullie overtuigd heb

dat dit mysterie
eigenlijk heel dichtbij is.

De zoektocht naar donkere materie

zou de sleutel kunnen zijn
tot een nieuw inzicht in natuurkunde

en onze plaats in het universum.

Dank jullie wel.

(Applaus)