1
Donkere materie, klinkt mysterieus. En dat is het ook. Nog steeds. Voordat ik u ga uitleggen waarom wij er van overtuigd zijn dat er donkere materie moet zijn, eerst nog even de successen van de Oerknal theorie. En eerst even een disclaimer: het moment van de Oerknal zelf snappen we niet; in ieder geval ik niet. Wel gaan we er van uit dat het loeiend heet begon. 15 miljard jaar geleden. 2
Na een hele kleine fractie van een seconde is het afgekoeld tot duizend miljoen miljoen graden. De spelers zijn op dat moment de elementaire deeltjes die we afgelopen eeuw hebben ontdekt in verschillende experimenten: bijvoorbeeld de elektronen, de quarks, de neutrino s en de lichtdeeltjes. En hun antideeltjes. Vanwege de giga hoge temperatuur, vormen de elementaire deeltjes zich niet tot complexere vromen van materie zoals protonen, atoomkernen, kernen, laat staan moleculen. Elke poging daartoe wordt door de vele heftige botsingen in de kiem gesmoord. 3
Een mooi moment is er rond een honderdduizendste van een seconde. Ja het Universum is nog piepjong. Op dat moment is de temperatuur zover gedaald dat de quarks gaan klonteren tot onder anderen protonen en neutronen. Die dingen waar het meeste om ons heen en wijzelf uit bestaan. Wel zo dat protonen in hun harde botsingen met de elektronen en neutrino s zomaar kunnen muteren in een neutron en vice versa! Dat gaat zo een tijdje door. Waar een tijdje nu echt een tijdje is op menselijke schaal: paar seconden! Let wel we kwamen van een honderdduizendste van een seconde. Het twee seconden jonge Universum is zover afgekoeld dat in botsingen de protonen niet voldoende energie (en dus massa) kunnen vergaren om te muteren in het net iets zwaardere neutron. Neutronen daarentegen blijven muteren in protonen: door botsingen en ook door het spontane verval van het neutron in een proton. Tenzij er iets gebeurt, zullen alle neutronen verdwijnen en resteert een Universum met alleen protonen. Zonder neutronen, is er maar één chemisch element te maken: waterstof. Dat heeft een atoomkern met slechts één proton. Alle andere chemische elementen hebben atoomkernen met meerdere protonen en minstens één neutron. 4
Gelukkig gebeurt er wat! En wel als de klok op ongeveer drie minuten staat. Opdat moment is de temperatuur gedaald tot slechts een miljard graden. Bij deze temperatuur blijven atoomkernen in takt d.w.z. worden niet meer opgebroken in hun bestanddelen: protonen en neutronen! De paar resterende neutronen worden als het waren ingevroren in stabielere atoomkernen en vervallen dus niet langer! Alleen atoomkernen van de lichtste elementen ontstaan. En wel: heel veel waterstof, een beetje helium en een heel klein beetje lithium. En als je je afvraagt voor welk element de D hier staat: Nou dat is niet de Donkere Materie waar ik zo op kom, maar ook gewoon waterstof. Maar dan een waterstof waar de kern niet uit een enkel proton bestaat, maar uit een proton en een neutron. Zeg maar zwaar waterstof, en dat noemen we deuterium, vandaar de letter D. De Oerknal theorie voorspelt exact de verhoudingen van al deze chemische elementen: 75% waterstof en 25% helium. En dat klopt met wat we vandaag zien in ons Universum. En inderdaad voor ons op Aarde klopt daar niets van. Maar hoe vreemd ook: wij zijn echt geen gemiddeld stukje Universum. Wij het resultaat van een lang geleden ontplofte ster. In zo n ontploffing worden heel veel zware elementen zoals koolstof, zuurstof en ijzer gemaakt. Wij zijn dus gewoon een tweedehans ster. 5
Ondanks de hitte was het Universum de eerste 300,000 jaar ontzettend donker. D.w.z. licht werd permanent geabsorbeerd en verstrooid. Denk maar aan ochtendmist: dan zie je ook niets en het wordt pas helder als de mist optrekt. In ons Universum gebeurde dat optrekken toen het Universum 300 duizend jaar oud was en slechts 6000 graden heet. Op dat moment combineerden de elektronen en atoomkernen tot atomair waterstof en helium. Dat betekent dat dan licht geen last meet heeft van al die hinderlijke elektronen! En het onvoorstelbare is nu dat we dat licht, (zeg maar nagloeien) van het 300 duizend jaar oude Universum vandaag, 15 miljard jaar later, nog kunnen zien. Zien betekent niet direct met het blote oog. Maar zien betekent dat we het met radio antennes kunnen detecteren. Werd voor het eerst gedaan in 1964. Twee Amerikanen hadden een supergevoelige radio antenne gebouwd. En tot hun irritatie zat er een ruis in die veel sterker was dan waar ze hem voor ontworpen hadden. Ze snapten er niets van. Tot een collega hen op een conferentie vertelde dat het het nagloeien van de Oerknal kon zijn! En dat bleek zo te zijn: de temperatuur vandaag 271 graden onder nul. Heel koud dus. Ik vergelijk het maar met een elektrische kookplaat! (DEMO) 6
U kunt thuis trouwens ook kijken naar dat nagloeien van ons Universum. Zet de TV vanavond maar aan. Niet NED1, 2 of 3. Maar er tussen in. Dan ziet u dit. Paar procent hiervan is diezelfde radiostraling die die Amerikanen gebruikte voor hun ontdekking. Rest is wat wij met zijn aan radioruis veroorzaken! Mooiste programma dus voo vanavond. Tegenwoordig kunnen we met satellieten de temperatuur heel nauwkeurig in kaart. En hier zie je zo n babyfoto. Daar. De kleurtje geven hele kleine temperatuurverschillen aan. tienduizendste van een graad. Die kleine verschillen zijn de kiem geweest voor de vorming van de sterrenstelsels en zo waar wij ons nu in bevinden. Mooi he? En ook weer mooie bevestiging van de Oerknal theorie. En nu we al die sterrenstelsels kunnen zien is er nog een mooie bevestiging. U heeft allemaal wel eens een politie auto met sirene gehoord. Als die langszoemt gat dat zo: IEENNAAA. Als hij naar u toe komt een hoge toon en als hij van u afgata een lage toon. Dat werkt ookk zo met licht. Als een sterrenstelsen naar ons toe komt kortere golflengte (blauw verschoven); van ons af: rood verschoven). En wat blijkt: sterrenstelsen bewegenn uit elkaar. Twee keer zover weg: twee keer zo snel. Draai film terug en 15 miljard zat alles op elkaar! Vandaar de naam Oerknal theorie! 7
Goed: fantastische theorie dus. En nu in detail kijken! Er mist iets! Dark matter! Drie eenvoudige waarnemingen: 1. Rotatie curves (dit plaatje) 2. Bullet cluster (volgende) 3. Galaxy formatie (daarna) 8
Bullet cluster: twee botsende sterrenstelsels wordt uiteengereten in een component waar de donkere materie in domineert (blauw) en een component waar de gewone materie in domineer (rood). 9
10
Formatie van sterrenstelsels, beginnend met die hele kleine dichtheid variaties in het jonge universum. Werkt wel, maar alleen als er donkere materie is. Zonder donkere materie is de zwaartekacht onvoldoende om zaak bij een te houden om sterrenstelsels te vormen! Dus voro ons bestaan 11
Oplossing: veel massa die we niet zien! Dat noemen we donkere materie. 12
Wereldwijde zoektocht. Drievoudig aanvalsplan: 1. Je maakt het in een deeltjesversneller zoals we eigenlijk alle deeltjes elketron, quarks en net Higgs ontdekt heb. Pomp genpoeg energie in je veersneller en maak donkere materie. En observeer is. Makkelijk. Enige probleem: genoeg energie. In 2015 gaat de krachtisgste versenller van start met dubbele energie! 2. Je kijkt of je donkere materie ergens ziet annihileren. D.w.z. verdwijnen in een al bekend deeltjes paar. Doe je met satellieten en telescopen die nar deeltjes uit de ruimt kijken. Wat je wilt zien is: deeltjes uit een locatie waar je veel donkere materie verwacht. Zon, centrum van een sterrenstelsel. Helaas nog niets gezien. Energie bekend = massa donkere materie deeltje. 3. Je ziet een donker materie deeltje een gewoon deeltje een duw geven (animeer met handen). Heel veel troep hier: nevelvat demo. Dus ergens op rustige plek doen. En schoon materiaal gebruiken. Tunnels, pure materialen. Niet radioactief. Romeins lood e.d. 13
O ja, en je moet natuurlijk ook even checken dat je niet een van de bekende materie deeltjes kan gebruiken om donkere materie verklaren? Moet neutraal zijn (d.w.z. weinig doen) en heel lang leven d.w.z. 15 miljard jaar. Alleen de elektrisch neutral neutrino s voldoen. Helaas: hoewel we hun exacte massa niet kennen weten we al wel dat ze gewoon te licht zijn. Dus iets nieuws! 14
Nog niet gevonden! 15
16