Natuur- en sterrenkundigen bedenken de gekste dingen bij hun pogingen om de kosmos beter te begrijpen. Ditmaal: wat gebeurt er als donkere materie kan samenklonteren tot donkere atomen?

Het heelal bestaat uit twee soorten materie. Ten eerste is er de gewone materie waar jij en ik en alles om ons heen van zijn gemaakt. Ten tweede is er de mysterieuze donkere materie, die we niet kunnen zien, maar die zich verraadt door de zwaartekracht die hij op zijn omgeving uitoefent.

Het simpelste beeld van die donkere materie is dat ie bestaat uit deeltjes die los door het heelal vliegen, zonder zich veel van andere deeltjes aan te trekken. Maar wat als ook maar een klein gedeelte van die donkere deeltjes samenklontert tot donkere atomen? Dat vroegen sterrenkundige Sandip Roy van de Amerikaanse Princeton-universiteit en collega’s zich af. Hun conclusie: dit soort atomaire donkere materie kan flinke gevolgen hebben voor het reilen en zeilen van sterrenstelsels als het onze.

Meer van Far Out:

• Zoektocht naar de kleinkinderen van de donkere materie
• Nieuwe theorie: alles in het heelal verdampt langzaam – ook mensen

Donkere witte dwergen

Om atomen van donkere materie te kunnen bouwen, moet je af van het idee dat je te maken hebt met maar één type deeltjes. Het allersimpelste gewone atoom, waterstof, bestaat namelijk uit twee onderdelen: een positief geladen proton, vergezeld van een negatief geladen elektron. Een donker waterstofatoom zou dan bestaan uit een donker proton en een donker elektron.

Op zich hoeft het daar niet bij te blijven. Uit gewone materie kun je meer dan honderd verschillende scheikundige elementen maken: naast waterstof ook helium, lithium, beryllium en ga zo maar door. Maar om het een beetje behapbaar te houden, besloten Roy en zijn team ervan uit te gaan dat er alleen donkere waterstof is. Er is geen ‘donkere kernfysica’ die zwaardere atoomkernen mogelijk maakt.

Klinkt saai, maar ook die donkere waterstof verandert de zaken al behoorlijk. Die kan namelijk, in tegenstelling tot ‘losse’ donkere-materie-deeltjes, samenklonteren tot allerlei grotere objecten. Donkere sterren, bijvoorbeeld? Op zich wel, ware het niet dat je kernfysica nodig hebt om de processen te beschrijven waar een ster op ‘brandt’. Die passen dus niet in het versimpelde plaatje van Roy en collega’s. Maar witte dwergen en zwarte gaten van donkere materie behoren bijvoorbeeld wel tot de mogelijkheden (hoe gek een ‘donkere witte dwerg’ en een ‘donker zwart gat’ ook klinkt).

Niet goed te rijmen

Wat voor objecten die donkere atomen ook precies vormen, het resultaat is een schijf van donkere-materie-dingen die met hetzelfde tempo rond het centrum van het sterrenstelsel beweegt als de zichtbare sterren van ons sterrenstelsel, concluderen de wetenschappers in hun artikel. (Wat wij hier op aarde ervan zouden merken als zo’n schijf zich in onze eigen Melkweg bevond, kan Roy op het moment van schrijven nog niet zeggen. “Daarover publiceren we heel binnenkort een nieuw artikel.”)

Verder trekt een boel samengeklonterde donkere materie naar het centrum van het sterrenstelsel. Interessant, want daardoor wordt dat centrum natuurlijk zwaarder – en trekt het via de zwaartekracht dus ook meer gewone materie naar zich toe. Dat heeft weer tot gevolg dat in dat centrum meer sterren ontstaan dan je zou verwachten in een stelsels zónder atomaire donkere materie. Ook zou al die extra materie sterren sneller rond het centrum van hun sterrenstelsel laten bewegen.

De vraag is nu: gedragen sterrenstelsels zich inderdaad alsof er atomaire donkere materie is? Daarvoor simuleerden Roy en collega’s twee ‘soorten’ atomaire donkere materie: donkere materie die zich net zo gedraagt als zichtbare materie, en donkere materie waarbij positief en negatief geladen deeltjes net wat harder aan elkaar trekken. Beide soorten lijken niet echt goed te rijmen met hoe onze eigen Melkweg eruitziet.

Schaduwbevolking

Dus… er is geen atomaire donkere materie? Die conclusie mag je nog niet trekken, zegt Roy. “Er zijn enorm veel mogelijkheden voor hoe dit soort donkere materie zich kan gedragen. Daarvan hebben wij er nu maar twee bekeken.”

En is dat een zinnige exercitie: allemaal aannames doen over hoe nog niet ontdekte deeltjes zich zouden kunnen gedragen en dan kijken wat er gebeurt? Ja, zegt de Leidse sterrenkundige Koen Kuijken (zie ook het interview in KIJK 10/2023). “Het is niet alleen goed mogelijk, maar zelfs waarschijnlijk dat donkere materie een complexer iets is dan een enkel type deeltje.” Ideeën vanuit de deeltjesfysica over hoe die complexere donkere materie kan werken, zijn wat hem betreft daarom zeker welkom. “En het is goed om te zien dat het uitmaakt wat voor donkere materie je in deze simulatie stopt. Dat betekent dat we mogelijkheden kunnen testen en uitsluiten op basis van astronomische waarnemingen.”

Daar zijn Roy en zijn collega’s inderdaad druk mee bezig. “We proberen nu op een systematische manier álle vormen van atomaire donkere materie te bestuderen.” En wie weet komt er uit hun simulatie, als alle knoppen precies in de juiste stand staan, een sterrenstelsel dat verdacht veel lijkt op een echt stelsel. Dan zou het zomaar kunnen dat er inderdaad donkere witte dwergen, donkere zwarte gaten en wie weet zelfs donkere gewone sterren zijn, die een onzichtbare schaduwbevolking van de Melkweg vormen.

Jean-Paul Keulen is wetenschapsjournalist, gespecialiseerd in natuur- en sterrenkunde. Voor deze rubriek raadpleegde hij onder meer de volgende literatuur: Sandip Roy e.a.: Simulating Atomic Dark Matter in Milky Way Analogues, Astrophysical Journal Letters (19 september 2023).

Deze Far Out staat ook in KIJK 1/2024. Bestel deze editie in onze webshop of eenvoudig via de knop hieronder.