Brede stromen donkere materie die door de aarde heen gaan, worden door de zwaartekracht van de aarde samengeperst tot smalle bundels. Dat biedt kansen.
De aarde heeft een kapsel dat bestaat uit haren van donkere materie, zegt de Nasa. Het denkbeeldige haar van de aarde geeft wetenschappers nieuwe hoop om praktisch bewijs te vinden voor het bestaan van donkere materie. De kennis die dat oplevert zou nieuwe, exotische onderzoeksmethodes voor planeten mogelijk maken.
Donkere materie mag dan voor natuur- en sterrenkundigen een vertrouwd begrip zijn, voor leken is het over het algemeen een wazig verhaal. Het komt erop neer dat alles wat we om ons heen zien in het heelal – van mensen, bergen en oceanen tot planeten, sterren en sterrenstelsels – slechts een klein deel is van al het materiaal dat werkelijk bestaat. We zien maar vijf procent van alle bestaande materie, terwijl er maar liefst 27 procent onzichtbare (donkere) materie is. De resterende 68 procent bestaat uit donkere energie.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Platte melkwegstelsels
Een belangrijk bewijs voor het bestaan van donkere materie vonden astronomen in de manier waarop platte spiraalvormige melkwegstelsels ronddraaien. In de jaren zeventig werden draaisnelheden gemeten aan de hand van wolken van waterstofgas aan de randen van sterrenschijven. Tot verbazing van de wetenschappers bleek het materiaal aan de buitenkant van de schijven sneller rond te draaien dan volgens natuurkundige wetten mogelijk is bij een bepaalde hoeveelheid massa. Er moest dus meer massa in de sterrenschijven aanwezig zijn dan we waarnemen. Dat ontbrekende deel is de donkere, onzichtbare materie.
Of zit er toch een addertje onder het gras? Sterrenstelsels zonder spiraalstructuur – zogenoemde elliptische stelsels – blijken namelijk niet te beschikken over het donkere onzichtbare materiaal. Toch zijn wetenschappers er nu van overtuigd dat donkere materie bestaat. ‘Het is koude materie die niet veel beweegt en het is donker omdat het geen licht produceert of interactie ondergaat met licht,’ meldt de Nasa op zijn website.
Volgens berekeningen en simulaties die de laatste tien jaar zijn uitgevoerd vormt donkere materie stromen van deeltjes. Zo’n donkere deeltjesstroom kan groter zijn dan een heel zonnestelsel en de stromen lopen kriskras door het heelal. Om uit te vinden wat er gebeurt als zo’n stroom donkere materie op een planeet als de aarde afkomt, voerden Nasa-wetenschappers computersimulaties uit. De conclusie was verrassend: als een bundel donkere materie de aarde raakt, centreert de zwaartekracht deze bundel tot een dunne spriet. Deze ultradunne stralen worden haren genoemd en ze bestaan uit heel dicht op elkaar gepakte deeltjes duistere materie.
Haarwortel
Wat is hier nu zo bijzonder aan? Als een bundel normale zichtbare materie op de aarde is gericht houdt de planeet het materiaal tegen. Maar donkere materie reist door de aarde heen alsof de planeet niet bestaat. En dan is er nog een andere bijzonderheid: de ‘pruik van de aarde’ zweeft een eind boven het aardoppervlak, en wel op een afstand van pakweg twee keer die tot de maan. Als een stroom van donkere materie door de aardkern gaat, centreert de zwaartekracht van de aarde de deeltjes op een punt op ongeveer een miljoen kilometer van de aarde. Daar ontstaat een verdikking, als het ware een haarwortel. De vergelijking met menselijk haar wordt daardoor nog treffender.
De dichtheid van de deeltjes op de plek in deze wortel is wel een miljard keer groter dan in de originele bundel. De deeltjes die niet door de kern van de aarde gaan maar het aardoppervlak als het ware schampen, komen terecht in het uiteinde van de haar. Dit punt ligt in het geval van de aarde op ongeveer twee miljoen kilometer afstand.
Een bundel donkere materie die door de kern van de reuzenplaneet Jupiter raast zal volgens de berekeningen in de haarwortels zelfs een dichtheid hebben die een triljoen (een miljard miljard, 1018) keer groter is dan in de originele deeltjesbundel.
Wat schiet de wetenschap nu op met deze kennis over ‘haren’ met haarwortels bestaande uit donkere materie? ‘Als we de locatie van de haarwortels rond de aarde kunnen vaststellen, dan zouden weer een sonde naartoe kunnensturen,’ stelt Gary Prézeau van het Nasa Jet Propulsion Laboratory op de website van deze organisatie. ‘We zouden op die manier veel gegevens over donkere materie kunnen verzamelen.’
Al dertig jaar zoeken wetenschappers naar praktisch bewijs van donkere materie. Tot nu toe zonder resultaat en dat is frustrerend, wetende dat de theoretische natuurkunde het bestaan van deze mysterieuze substantie algemeen onderkent. ‘De wortels van donkere materieharen zouden een aantrekkelijke plaats zijn om te zoeken, zeker nu we weten hoe geconcentreerd ze zijn,’ stelt hoofdwetenschapper Charles Lawrence in het gepubliceerde onderzoek.
Knikken
Maar er lonkt nog een andere interessante praktische toepassing van deze ‘planeetpruiken’. De verschillen in dichtheid binnen in de aarde en andere werelden kunnen uit de donkerematerieharen afgelezen worden. De binnenkern, de buitenkern, de mantel en de aardkorst hebben allemaal een andere dichtheid die zorgt voor een andere bundeling van de passerende donkere materie. Volgens de Nasa hebben de onzichtbare haren rondde aarde een soort knikken op de plaatsen die overeenkomen met de overgangen tussen de verschillende aardlagen.
Deze kennis is in principe voer voor toekomstige exotische onderzoeksmethodes. In theorie zouden we met deze kennis namelijk kunnen kijken hoe planeten en manen van binnen zijn opgebouwd, alleen maar door de haren met donkere energie te analyseren.
Lees verder: