Natuurkundige en filosoof Jaco de Swart laat in zijn proefschrift zien welke lange weg het wetenschappelijk bewijs voor donkere materie heeft afgelegd. De ruimtewedloop tussen de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie werkte daarbij als een katalysator.

Jaco de Swart is geen ‘gewone’ wetenschapper. Naast het monnikenwerk voor zijn proefschrift (hij las honderden oude boeken en artikelen en hield vele interviews), timmert hij als basgitarist aan de weg in de professionele heavymetalband X Raiders. De Swart: ‘De muziek is een perfecte uitlaatklep, het is heerlijk om na een dag graven in het universum op het podium de beest uit te hangen. Komende zomer verhuis ik naar Boston om een paar jaar voor het MIT te werken. Ik ga zeker proberen of we een tournee langs de oostkust van de States kunnen maken.’

Waarom bent u aan dit onderzoek naar de geschiedenis van donkere materie begonnen?

‘Het intrigeerde me dat we na duizenden jaren kijken naar de sterrenhemel tot de conclusie zijn gekomen dat 85 procent van het universum ‘kwijt’ is. Dat wil zeggen: 15 procent van de in het heelal aanwezige materie kunnen we zien, dat zijn sterren en planeten en dergelijke. De rest is onzichtbaar en noemen we donkere materie.

Onverklaarbaar kattengat
LEES OOK
Onverklaarbaar kattengat

Ik vind het interessant om te zien hoe het bewijs van het bestaan van die donkere materie tot stand is gekomen. Het heeft lang geduurd voordat men twee bijzondere kosmologische verschijnselen kon verwoorden in de theorie van de donkere materie.’

Op welke twee verschijnselen doelt u?

‘In de jaren dertig ging men verder het heelal in kijken dan het Melkwegstelsel. Nieuwe telescopen aan de Amerikaanse westkust lieten zien dat er miljoenen sterrenstelsels zijn, die in clusters samenklonteren. De Zwitser Fritz Zwicky ontdekte dat de sterrenstelsels als een gek door elkaar heen bewogen, zo snel dat het cluster waarin ze zitten uit elkaar zou moeten klappen, zou verdampen. Er was simpelweg onvoldoende zichtbare materie, sterren, om de boel bij elkaar te houden. De verwachte ontploffing bleef echter uit. Een van de ideeën die Zwicky postuleerde was dat er wellicht een extra zwaartekracht was die dat zootje sterrenstelsels bij elkaar hield.

In de jaren zestig ging het heel snel met de ruimtetechnologie, onder invloed van de ruimtewedloop tussen de Verenigde Staten en de Sovjet-Unie. Er kwamen steeds betere telescopen. V2-raketten die in de Tweede Wereldoorlog nog werden gebruikt voor bombardementen, schoten nu experimenten de ruimte in, zoals camera’s en meetinstrumenten. Daardoor konden we het heelal beter bekijken dan voorheen, toen we vanaf de grond de ruimte in tuurden. De dampkring om de aarde filtert namelijk heel veel straling uit de ruimte weg.

Oude radars van de Duitsers waarmee in de oorlog vliegtuigen werden opgespoord, werden omgebouwd tot radiotelescopen, die de radiostraling in de ruimte opvingen. De radio opende een nieuw venster waarmee we verder de ruimte in konden kijken. We ontdekten gas in sterrenstelsels en konden veel gedetailleerder de rotaties van de sterrenstelsels waarnemen.’

Leverde die nieuwe ruimtetechnologie nog iets op?

‘Dankzij radiotelescopie ontdekten we de tweede kosmische merkwaardigheid: de sterren aan de buitenkant van een sterrenstelsel raasden veel harder in het rond dan men zou verwachten op grond van de wet van de zwaartekracht. De sterren die het verst van het middelpunt zijn verwijderd, zouden de minste zwaartekracht moeten ondervinden en daardoor langzamer bewegen dan de sterren bij het middelpunt. Maar dat was dus niet zo, ze roteerden even snel.

Niemand legde het verband tussen de twee bijzondere verschijnselen van de binnen de cluster rondrazende sterrenstelsels en de ‘snelle’ buitenste sterren van een sterrenstelsel. In de jaren zestig dacht men nog dat het universum uit elkaar zou worden gereten vanwege een gebrek aan materie. De zichtbare materie was te weinig om een ontploffing van het universum te voorkomen. Pas in de jaren zeventig bewezen kosmologen dat er een extra, onzichtbare massa in het universum moest zijn die met extra zwaartekracht alles bij elkaar houdt: de donkere materie.’

Heeft de oerknaltheorie hier iets mee te maken?

‘Jazeker! In de jaren zeventig werd de theorie van de oerknal en de uitdijing van het universum gemeengoed. Het was een aanzet voor de kosmologie om op zoek te gaan naar de structuur en de ontwikkeling van het heelal. Kosmologie was een nieuwe wetenschap die groter dacht dan de astronomie, die zich beperkte tot het bestuderen van sterrenstelsels. De kosmologie kijk naar welk lot het uitdijende heelal tegemoet gaat? Wordt het de big rip, een ontploffing, of wordt het de big crunch, een implosie? Als je dat wilt weten, moet je weten hoeveel zwaartekracht er in het universum is. En zwaartekracht komt door materie! Dus ging men op jacht naar de hoeveelheid materie in het heelal.’

Wie heeft de donkere materie uiteindelijk ontdekt?

‘We weten anno 2022 nog steeds niet waar donkere materie uit bestaat, het is dus nog niet ontdekt! Wel is er een bewijs geconstrueerd voor het bestaan van donkere materie. Belangrijke namen zijn enerzijds de Amerikanen Jim Peebles en Jerry Ostriker en anderzijds de Est Jaan Einasto, die in 1974 onafhankelijk van elkaar het bestaan van donkere materie bewezen.’

Hoe populair is donkere materie binnen de hedendaagse wetenschap?

‘Behoorlijk. Tegenwoordig worden er meer dan vijf artikelen per dag gepubliceerd over donkere materie. In de jaren zeventig dacht men bij donkere materie nog aan uitgedoofde sterren of onzichtbaar gas. In de jaren tachtig kwam de theorie van de deeltjesfysica op, waarbij men veronderstelt dat een nieuw soort elementair deeltje het universum vult: het donkeremateriedeeltje. De meeste wetenschappers gaan daar nu nog steeds van uit.’

Heeft u zelf, na al die studie, enig idee hoe dat mysterieuze goedje eruitziet?

Lachend: ‘Sorry, ik kan je niet helpen. Geen idee. Ik heb al die gekke ideeën mogen bestuderen die men door de tijd heen kreeg over het bestaan van dat speciale spul dat de boel bij elkaar houdt. Hoe de kennis over het universum door de tijd heen tot stand is gekomen. In de jaren zeventig was de kosmologie trending, alles werd geijkt aan het heelal. In de jaren tachtig was de deeltjesfysica hip and happening en ging men en masse op zoek naar het elementaire deeltje.’