Deze mysterieuze en ongrijpbare materie zou niet een overblijfsel van de oerknal zijn, maar al veel eerder het levenslicht hebben gezien.

De samenstelling van donkere materie is nog altijd een groot raadsel. Zo is donkere materie niet alleen onzichtbaar, maar gaat het ook nauwelijks interactie aan met andere materie. Dit maakt het een van de grootste mysteries binnen de moderne fysica. Bovendien weten natuurkundigen ook niet precies hoe en waar donkere materie is ontstaan. Onderzoekers verbonden aan de Johns Hopkins Universiteit doen nu echter een suggestie en stellen dat er misschien al vóór de oerknal donkere materie bestond.

Overblijfsel van de oerknal
Lange tijd geloofden onderzoekers dat donkere materie een overblijfsel van de oerknal moest zijn. Een klopjacht op dit soort donkere materie werd geopend, maar tot nu toe draaiden alle experimentele zoekacties op niets uit. “Als donkere materie echt een overblijfsel van de oerknal was, dan hadden wetenschappers in veel gevallen al een direct signaal moeten zien,” betoogt onderzoeker Tommi Tenkanen.


Sterrenstelsels

Ongeveer een jaar geleden kwamen onderzoekers met een vrij onverwachte ontdekking op de proppen. Zo stelden ze dat ze het sterrenstelsel NGC 1052-DF2 bijna geen donkere materie herbergde. En een sterrenstelsel zonder donkere materie? Dat is nog nooit gezien. Een paar maanden terug veegden onderzoekers deze bevinding echter van tafel en werd het bestaan van het sterrenstelsel zonder donkere materie ontkracht.

Geboorte van donkere materie
Hoewel er niet veel bekend is over de oorsprong van donkere materie hebben astronomen wel aangetoond dat donkere materie een cruciale rol speelt bij de vorming van sterrenstelsels. Bovendien oefent donkere materie zwaartekracht uit op hoe zichtbare materie beweegt en in de ruimte wordt verdeeld. “De studie onthult een nieuw verband tussen deeltjesfysica en astronomie,” zegt Tenkanen. “Als donkere materie bestaat uit nieuwe deeltjes die vóór de oerknal zijn geboren, dan beïnvloeden ze de manier waarop sterrenstelsels op een unieke manier in de ruimte worden verdeeld. Dit kan vervolgens worden gebruikt om meer over donkere materie te weten te komen en bovendien conclusies te trekken over tijden van vóór de oerknal.”

Kosmische inflatie
Met behulp van een nieuw, relatief eenvoudig wiskundig model toont de studie aan dat donkere materie vóór de oerknal is geboren ten tijde van de kosmische inflatie; een tijdperk in de jonge jaren van ons universum waarin het heelal een enorme groeispurt doormaakte (zie kader). Tijdens deze snelle uitdijing van het heelal werden er in groten getale deeltjes geproduceerd. Deze staan bekend als ‘scalair’ deeltjes. Tot nu toe is slechts één zo’n deeltje ontdekt, het beroemde Higgs-boson. “We weten niet wat donkere materie is, maar als het iets te maken heeft met scalaire deeltjes, dan kan donkere materie ouder zijn dan de oerknal,” legt Tenkanen uit.


De oerknal
Tenkanen stelt dat donkere materie geboren werd ten tijde van de kosmische inflatie. Dat lijkt misschien haaks te staan op zijn conclusie dat donkere materie voor de oerknal geboren werd. De kosmische inflatie vond immers na de oerknal plaats. Het is echter maar net hoe je de oerknal definieert, zo legt Tenkanen desgevraagd uit. “In termen van het moderne vroege universum was ‘de oerknal’ of nauwkeuriger gezegd ‘het tijdperk van de hete oerknal’ een periode in de geschiedenis van het universum die begon toen de kosmische inflatie ten einde kwam, of nauwkeuriger gezegd, toen het universum na de inflatie weer opwarmde.” Het tijdperk van de hete oerknal eindigde toen de kosmische achtergrondstraling ontstond. “Omdat de kosmische achtergrondstraling en haar eigenschappen heel accuraat gemeten zijn, kun je zegen dat ‘het tijdperk van de hete oerknal’ een bevestigd wetenschappelijk feit is. Als je wilt verwijzen naar het hypothetische begin van de tijd, zou je moeten spreken van de oerknal-singulariteit. Op dit moment weten we niet wat er voor de kosmische inflatie gebeurde en hoe de tijd begon en of er ooit een singulariteit was. Sterker nog: kosmologen zijn ook nog niet helemaal overtuigd van de kosmische inflatie, maar die theorie heeft om verschillende redenen wel een stevigere basis dan de singulariteitstheorie. Hoe dan ook, stellen dat het universum begon met de oerknal kan alleen bevestigd worden als je met de term ‘oerknal’ verwijst naar het tijdperk van de hete oerknal.” Hoewel de term oerknal vaak gebruikt wordt om te refereren aan de hypothetische oerknal-singulariteit, gebruikt Tenkanen deze om te refereren aan de bewezen hete oerknal. “Omdat aangenomen wordt dat inflatie voorafging aan de hete oerknal, kun je dan ook zeggen dat donkere materie voor de oerknal is geboren.”

Euclid-satelliet
Het wachten is nu op de Euclid-satelliet die waarschijnlijk in 2022 gelanceerd gaat worden. Deze missie is erop gericht om de geometrie van het heelal in kaart te brengen en zal ons mogelijk ook meer leren over de oorsprong van donkere materie. “Het zal heel spannend worden om te zien wat het gaat onthullen over donkere materie en of zijn bevindingen kunnen worden gebruikt om een blik te werpen in tijden van vóór de oerknal,” aldus Tenkanen.

Hoewel het mysterie omtrent donkere materie nog lang niet lijkt opgelost, komen onderzoekers wel steeds een stapje dichterbij. Zo stelden onderzoekers nog niet zo lang geleden dat het feit dat er nog nooit iemand door donkere materie gedood, veelzeggend is. Het betekent dat we voorzichtige conclusies kunnen trekken over wat donkere materie kan zijn.