Decennia lang zijn wetenschappers verwikkeld in een kosmisch verstoppertje met donkere materie, de onzichtbare substantie die 85% van de massa van het universum uitmaakt. Nieuw onderzoek suggereert dat de regels van dit spel misschien wel helemaal verkeerd zijn. Het standaardmodel gaat ervan uit dat donkere materie ‘koud’ is, wat betekent dat de deeltjes langzaam bewegen. Maar een groeiend aantal bewijzen duidt erop dat het mogelijk “heet”** is geboren en zich met bijna-lichtsnelheden voortbewoog. Als dit waar is, zou deze ontdekking gevestigde theorieën over de vorming van sterrenstelsels kunnen omverwerpen en ons begrip van de vroege momenten van het universum kunnen hervormen.
De donkere materie-puzzel
Donkere materie is notoir moeilijk te bestuderen omdat het geen interactie heeft met licht. Dit betekent dat we het niet direct kunnen zien, maar alleen het bestaan ervan kunnen afleiden uit de zwaartekrachteffecten op zichtbare materie. Dit maakt het ook onmogelijk om uit hetzelfde materiaal te bestaan als alledaagse voorwerpen (elektronen, protonen, neutronen), die allemaal met licht interageren. Ondanks dat het vijf keer meer materie bevat dan alles wat we kunnen zien, blijft donkere materie een mysterie.
De leidende theorie heeft lange tijd de voorkeur gegeven aan koude donkere materie (CDM), deeltjes die langzaam genoeg bewegen om samen te klonteren en de vorming van sterrenstelsels te bevorderen. Maar dit model is niet perfect; bepaalde observaties dagen zijn voorspellingen uit. Dat is waar de ‘hete’ donkere materie-hypothese om de hoek komt kijken.
Een spannender oorsprongsverhaal
Het nieuwe onderzoek suggereert dat donkere materie mogelijk is ontstaan in de onmiddellijke nasleep van de oerknal, tijdens een periode die ‘post-inflatoire opwarming’ wordt genoemd. Dit was een chaotisch tijdperk waarin het universum zich snel uitbreidde en energie omzet in een hete, dichte soep van deeltjes. Als donkere materie in deze omgeving zou zijn ontstaan, had deze zich ongelooflijk snel kunnen ontwikkelen.
De sleutel is dat zelfs bij deze snelheden de donkere materie voldoende had kunnen afkoelen om zich te gedragen als de ‘koude’ versie die we verwachten. Dit proces, dat ‘ontkoppeling’** wordt genoemd, zou het uiteindelijk mogelijk maken om samen te klonteren en de vorming van sterrenstelsels te stimuleren.
Oude kandidaten nieuw leven inblazen
Deze ontdekking zou ook een lang verworpen kandidaat voor donkere materie nieuw leven kunnen inblazen: het neutrino met lage massa. Tientallen jaren geleden werden deze deeltjes uitgesloten omdat men dacht dat ze te snel bewegen om de vorming van sterrenstelsels mogelijk te maken. Maar als ze warm geboren waren en vervolgens afgekoeld waren, hadden ze toch een cruciale rol kunnen spelen in de structuurvorming.
“Het neutrino werd het belangrijkste voorbeeld van hete donkere materie… Het is verbazingwekkend dat een soortgelijke kandidaat, indien geproduceerd op het moment dat het hete Big Bang-universum werd gecreëerd, tot het punt had kunnen afkoelen waarop het in feite zou fungeren als koude donkere materie”, zegt Keith Olive, een onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was.
De theorie testen
Het team is nu van plan hun ideeën te testen door middel van experimenten op aarde, met behulp van deeltjesversnellers en op zoek naar bewijsmateriaal in het vroege universum. Als dit lukt, kan dit een duidelijker beeld opleveren van de vroegste momenten van het universum.
“Met onze nieuwe bevindingen kunnen we mogelijk toegang krijgen tot een periode in de geschiedenis van het universum die heel dicht bij de oerknal ligt”, zegt Yann Mambrini, een andere onderzoeker van het project. De jacht op donkere materie is nog lang niet voorbij, maar deze nieuwe onderzoekslijn zou ons eindelijk dichter bij het oplossen van een van de grootste mysteries van de kosmologie kunnen brengen.
Uiteindelijk zou de ontdekking van hete donkere materie niet alleen de ware aard van deze ongrijpbare substantie onthullen, maar kosmologen ook dwingen hun fundamentele begrip van de evolutie van het universum opnieuw te beoordelen.
