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)