Donkere materie is een hypothetische soort materie in het heelal die met optische middelen niet kan worden waargenomen, dus niet via de elektromagnetische straling die de aarde bereikt, kan worden gedetecteerd. Daarom wordt het donkere materie genoemd, om het van de zichtbare materie te onderscheiden. Op grond van verschillende voorbeelden, die in het artikel aan bod komen, wordt gedacht dat de totale hoeveelheid massa en energie van het heelal bestaat uit:. First Planck results: the Universe is still weird and interesting, 21 maart 2013. voor Ars Technica 68% donkere energie 27% donkere materie 5% normale materie, de baryonen
Alles dat wij in staat zijn waar te nemen, alle materie die wij op een of andere manier kunnen detecteren, wordt baryonische materie genoemd. Dat is het verschil tussen baryonische en donkere materie. Donkere materie is in ieder geval voor de elektromagnetische, noch voor de sterke kernkracht gevoelig. Er is nog nooit, met geen enkel natuurkundig experiment enige vorm van donkere materie waargenomen.
Er zijn desondanks verschillende zwaarwegende argumenten om aan te nemen dat er donkere materie is, die zwaartekracht op baryonische materie uitoefent. De theorie van de donkere materie om waargenomen verschijnselen te verklaren is in overeenstemming met de relativiteitstheorie, dus ook met de theorie van de zwaartekracht.
Donkere materie om afgeplatte spiraalstelsels Een duidelijk voorbeeld is dat de totale geschatte aanwezige massa, in de vorm van baryonische materie, in sterrenstelsels niet genoeg is om de bewegingssnelheid van de sterrenstelsels in hun baan om het gemeenschappelijk zwaartepunt te kunnen verklaren. De onzichtbare baryonische massa bestaat uit onder andere uitgedoofde sterren en planeten. De baryonische massa kan op basis van de huidige natuurkundige theorieën en de ouderdom van de betrokken sterrenstelsels worden geschat.
Aanwijzingen Jacobus Cornelius Kapteyn in 1922 en Jan Hendrik Oort in 1932 hebben over materie geschreven, die niet kon worden waargenomen, maar waarmee zij bepaalde waarnemingen aan sterrenstelsels konden verklaren. Oort was bezig met het bestuderen van de Melkweg en bedacht als eerste dat de massa van het stelsel groter moest zijn dan alleen de zichtbare massa.. The force exerted by the stellar system in the direction to the galactic plane and some related problems, 17 augustus 1032. Gearchiveerd op 7 juni 2023 De berekeningen van Oort bleken verkeerd te zijn, maar Fritz Zwicky bewees het idee van Oort in 1933.NASA en GSFC. B. Hidden Mass. Gearchiveerd op 23 april 2015.. Die Rotverschiebung von extragalaktischen Nebeln, 16 november 1933. Gearchiveerd op 6 december 2022. Zwicky concludeerde met behulp van het viriaaltheorema dat er zoiets als donkere materie moest bestaan. Zijn observaties van acht sterrenstelsels in de Comacluster toonden aan dat de spreiding van de radiële snelheden veel groter was dan verwacht. De spreiding die Zwicky mat, bedroeg meer dan wat zou betekenen dat de massa ongeveer 400 maal zo groot zou moeten zijn als op grond van de waarnemingen was te verwachten. Zwicky nam aan dat dunkele Materie, donkere materie dus, verantwoordelijk was voor deze grote spreiding.
Ontdekkingen thumb|400px|Rotatiekromme van UGC11455. In de jaren '70 van de 20e eeuw deden meerdere sterrenkundigen onderzoek naar snelheidsmetingen van sterrenstelsels. De snelheidsmetingen werden onder meer uitgevoerd aan de hand van de 21cm-lijn gemeten in wolken waterstofgas. Deze wolken waterstofgas zijn zichtbaar in de verste buitengebieden van het spiraalstelsel, waar vrijwel geen sterrenlicht wordt geproduceerd. Bij elliptische stelsels kon deze meetmethode niet worden toegepast, doordat daarin vrijwel geen gas voorkomt. Met de gravitatiewetten werd uit de gemeten snelheid van de afgeplatte stelsels de benodigde massa berekend.
In Nederland vond Albert Bosma aan de Rijksuniversiteit Groningen met de Westerbork Synthese Radiotelescopen in 1975 tot in de verre buitendelen van sterrenstelsels (waar vrijwel geen sterren meer zijn, maar wel waterstofgas) dat de massa van sterrenstelsels veel groter was dan de massa van de zichtbare sterren en gaswolken. In 1978 vonden de Amerikaanse sterrenkundigen Vera Rubin en Kent Ford hetzelfde resultaat in het zichtbare deel van sterrenstelsels.
Rotatiesnelheden Uit de metingen van Bosma en Rubin volgt dat de buitengebieden van de spiraalstelsels sneller ronddraaien dan verwacht werd op grond van de bekende massa. Dit heet het melkwegstelseldraaiingsprobleem. Er moet dus een sterker zwaartekrachtveld zijn dan gedacht. Hiervoor werd aangenomen dat er onzichtbare massa van donkere materie in de sterrenstelsels aanwezig is.
Dit wordt ook aan de hand van rotatiekromme van de Driehoeknevel in de figuur geïllustreerd. Het gaat om een spiraalvormig sterrenstelsel. De waargenomen en de voorspelde snelheden van de sterren zijn als functie van de afstand tot het centrum van het sterrenstelsel in de figuur uitgezet. Het verschil tussen de twee lijnen kan worden verklaard door een halo van donkere materie rondom het sterrenstelsel toe te voegen. Gegevens van de rotatiekrommen van sterrenstelsels geven aan dat ongeveer 90 procent van de massa van een sterrenstelsel onzichtbaar is en alleen door het effect, dat het op de zwaartekracht heeft, kan worden ontdekt.
Theorie Om een verklaring te zijn voor de snelheid van sommige sterrenstelsels moet donkere materie aan de volgende eigenschappen voldoen:
zij heeft massa, zij bevindt zich in grote hoeveelheden in alle sterrenstelsels in het heelal, zij is noch voor de elektromagnetische, noch voor de sterke kernkracht gevoelig en zij is diffuus. Donkere materie gaat op de schaal van planetenstelsels niet klonteren.
thumb|325px|Ontwikkeling van het heelal na de oerknal Temps = tijd
Donkere materie is ook een mogelijke oplossing voor bepaalde inconsistenties in de theorie van de oerknal. Niemand weet wat donkere materie is. Het verklaren van de aard van donkere materie is een van de onderwerpen die in de astronomie worden bestudeerd. Het gaat in filosofische terminologie om de gepostuleerde oerstof.
Er wordt door wetenschappers toch naar een fysische verklaring van de donkere materie gezocht. Een hypothese is het bestaan van elementaire deeltjes die alleen via de zwakke kernkracht een wisselwerking met hun omgeving aan kunnen gaan. Die deeltjes worden WIMPs genoemd, van weakly interacting massive particle, maar er is nog geen enkel experiment uitgevoerd waarmee hun bestaan is bewezen. Het idee is dat de donkere materie uit deze deeltjes bestaat, dus in ieder geval niet uit de gangbare elektronen, protonen en neutronen. Het kunnen neutrino's, axionen en andere hypothetische deeltjes zijn, die alleen voor de zwakke kernkracht gevoelig zijn. De neutralino's zijn daar ook een voorbeeld van. Dit deeltje wordt in de theorie van de supersymmetrie voorspeld als een combinatie van de superpartners van het foton, het Z-boson en het neutrale higgsboson.
Deze WIMPs zijn volgens de theorie tijdens de zeer korte inflatieperiode, 10-32 seconden na aangemaakt, toen veel scalaire deeltjes werden aangemaakt. Het enige bekende scalaire deeltje, het boson met spin nul, is het higgsboson. De donkere materie zou de verdeling van de latere sterrenstelsels beïnvloeden.. Donkere materie wellicht ouder dan de oerknal nou ja het ontstond tijdens de inflatieperiode, 18 augustus 2019.. Dark matter from scalar field fluctuations, 6 augustus 2019. Gearchiveerd op 6 december 2022.
Men veronderstelt dat de meeste massa van het heelal uit donkere materie bestaat. Er zou zeven keer meer donkere materie zijn dan baryonische materie. Dit is maar een vierde van wat nodig is om de expansie van het heelal tot stilstand te brengen. Het bepalen van de aard van de donkere massa is bekend als het donkerematerieprobleem of het probleem van de ontbrekende massa. Het is een van de onderwerpen, die binnen de moderne sterrenkunde worden bestudeerd. De baryonische materie kan in principe door de mens worden waargenomen, maar een groot deel daarvan is verscholen en onzichtbaar.
Zwarte gaten Alle materie, licht en ook donkere materie, dat zich eenmaal in een zwart gat bevindt, kan niet meer ontsnappen. Er komt wanneer donkere materie in een zwart gat valt in tegenstelling tot normale materie geen energie vrij, er vindt geen omzetting van kinetische energie in warmte en straling plaats. Het opnemen van donkere materie in zwarte gaten speelt een belangrijke rol in de theorie over het ontstaan en ontwikkeling van zwarte gaten.. How Black Holes Gobble Dark Matter, 23 maart 2010. Gearchiveerd op 30 maart 2023. De straling uitgegeven door de verhitte materie rondom een zwart gat veroorzaakt een tegendruk, die de groei van zwarte gaten afremt, maar donkere materie ondergaat deze tegendruk niet. Zwarte gaten kunnen daardoor meer groeien. De tegendruk voor gewone materie wordt de eddingtonlichtkracht genoemd. In sommige sterrenstelsels met veel donkere materie kan een onbegrensde groei ontstaan. Hoe zwaarder het zwarte gat wordt, hoe meer materie wordt aangetrokken. De opname van donkere materie door zwarte gaten, meestal in het centrum van een sterrenstelsel, betekent ook dat er donkere materie uit de rest van het sterrenstelsel verdwijnt.
Na de oerknal van het heelal kunnen er geen stellaire zwarte gaten ontstaan kleiner dan vijf zonsmassa's. Bij kleinere supernova's ontstaan er neutronensterren. Er is onvoldoende druk om de tegendruk van de neutronen in de neutronenster te overwinnen. In de eerste fasen van de oerknal, voor het ontstaan van atomen, kunnen er theoretisch wel kleinere zwarte gaten ontstaan. Dit type zwart gat is volgens Stephen Hawking niet ontstaan door de eigen zwaartekracht ervan, maar door druk van buitenaf en zou tijdens of kort na de oerknal kunnen hebben bestaan. De kleinste exemplaren, als deze echt bestaan of hebben bestaan, zouden door de hawkingstraling in een fractie van een seconde verdampen. Grotere zwarte gaten groeien wel door massa uit de omgeving in het sterrenstelsel op te nemen.
Volgens de theorie zouden er nog steeds veel primordiale zwarte gaten in sterrenstelsels zijn en bestaan uit donkere materie. Tevens zouden deze een grote rol hebben in de ontwikkeling van sterrenstelsels. Zo zouden de primordiale zwarte gaten de snelle ontwikkeling van de sterrenstelsels met grote zwarte gaten in het midden veroorzaken. De creatie van zwarte gaten door supernova's heeft veel tijd nodig., en . Exploring the high-redshift PBH-ΛCDM Universe: early black hole seeding, the first stars and cosmic radiation backgrounds, 21 december 2021. Gearchiveerd op 2 april 2023.
Donkere materie en elliptische sterrenstelsels Een Europees team van astronomen presenteerde in april 2003 verrassend nieuws op de Brits-Ierse National Astronomy Meeting in Dublin: het lijkt er op dat er zich om sommige elliptische sterrenstelsels geen donkere materie bevindt. Deze ontdekking was mogelijk door een nieuwe meettechniek, de Planetaire Nevel Spectrograaf waarbij van planetaire nevels gebruik werd gemaakt in plaats van waterstofgas. Andere metingen suggereren dat in elliptische sterrenstelsels of in delen ervan wel donkere materie aanwezig kan zijn.3.1 Dark matter in elliptical galaxies Een verklaring voor deze waarneming is er nog niet. Het kan dat elliptische sterrenstelsels een andere ontstaansgeschiedenis dan spiraalstelsels hebben, maar ook dat de donkere materie is verdwenen door de wisselwerking met andere stelsels. De vraag blijft open hoe het komt dat er om elliptische stelsels heen kennelijk geen donkere materie aanwezig is.
Alternatieve zwaartekracht in sterrenstelsels