Slechts vijf procent van het heelal bestaat uit wat onderzoekers ‘normale materie’ noemen: deeltjes als protonen, neutronen en elektronen. Dit zijn de bouwstenen van alles wat wij om ons heen waarnemen, van atomen tot sterren en van bomen tot ons eigen lichaam.

Hoe zit het met de overige 95 procent van het universum?

Dat is een van de vragen waar Alessandra Silvestri, natuurkundige aan de Universiteit Leiden, zich dagelijks mee bezighoudt. Met haar team onderzoekt ze kosmische mysteries, zoals donkere materie. Maar wat is dat eigenlijk?

‘Dit is het heelal zoals we het nu begrijpen,’ zegt Silvestri, terwijl ze op een whiteboard in haar kantoor een taartdiagram tekent. Een bescheiden puntje stelt de vijf procent normale materie voor waar wetenschappers mee bekend zijn. Ongeveer een kwart van de cirkel, een stuk van 26 procent, bestaat uit donkere materie. De rest – een royaal deel van ongeveer 69 procent – is opgemaakt uit donkere energie. (Daarover meer aan het einde van dit verhaal.)

Wat is donkere materie?

‘We weten dat donkere materie bestaat. Maar omdat het geen licht weerkaatst, kunnen we het niet detecteren zoals we dat doen met sterren of andere objecten,’ zegt Silvestri. In andere woorden: donkere materie is voor ons onzichtbaar.

Hoe weten onderzoekers dan zo zeker dat het bestaat? Dit heeft te maken met gravitatielenzen, zeer krachtige zwaartekrachtvelden die onder meer rond sterrenstelsels en zwarte gaten zitten. Wie kijkt naar zo’n object in de ruimte, ziet hoe het licht van achterliggende sterrenstelsels eromheen buigt. Onderzoekers gebruiken deze buiging, genaamd lenswerking, om de massa van objecten in het heelal te bepalen.

‘Rond verre melkwegstelsels zit een soort halo van donkere materie,’ legt Silverstri uit. ‘We kunnen die donkere materie zelf niet zien, maar uit onze berekeningen blijkt dat er veel meer massa is dan we met onze ogen en telescopen kunnen waarnemen.’

Omdat donkere materie een massa heeft, hebben onderzoekers sterke vermoedens dat het gaat om een deeltje. Er zijn een paar populaire kandidaten, zoals axionen en neutralino’s – hypothetische deeltjes die wetenschappers nog nooit daadwerkelijk hebben waargenomen, maar waarvan zij vermoeden dat ze bestaan.

De rol van ruimtetelescoop Euclid

‘Als we uitvogelen wat donkere materie is, zal dat de wetten van de natuurkunde overhoop gooien,’ zegt Silvestri. ‘We moeten alleen beter begrijpen welke eigenschappen het heeft, en dat lukt ons steeds beter.’

Een nieuwe handlanger die haar team gaat helpen bij die missie, is ruimtetelescoop Euclid. De telescoop is ontwikkeld door ESA, in samenwerking met de onderzoeksgroep van Silvestri, en werd op 1 juli 2023 gelanceerd. De komende zes jaar moet Euclid een indrukwekkende hoeveelheid data verzamelen van het heelal. De eerste resultaten worden waarschijnlijk eind 2024 bekendgemaakt.

‘Voor de duidelijkheid: we gaan geen foto krijgen van donkere materie. Maar met Euclid gaan we heel ver kijken, soms tot wel tien miljard jaar terug in de tijd. We vergaren informatie over de distributie van melkwegstelsels, over gravitatielenzen en over de uitdijing van het heelal. Als dit geen definitief antwoord over donkere materie oplevert, zal het ons op zijn minst een grote sprong verder brengen.’

Wat is donkere energie?

Toch nog even terug naar het taartdiagram, want hoe zit het met het grootste stuk van ons gebak: donkere energie? ‘Dit is het meest frustrerende deel van mijn werk,’ lacht Silvestri. ‘Over donkere materie weten we al weinig, maar donkere energie is nóg mysterieuzer.’

Donkere energie heeft geen meetbare massa, legt ze uit, waardoor het bestaan ervan enkel berust op theorieën. Het zou een kracht kunnen zijn die we simpelweg nog niet begrijpen, een extreem licht deeltje of zelfs een fout in onze zwaartekrachtmodellen.

Het bewijst maar weer hoe weinig we weten, zegt Silvestri. ‘We werken met modellen waarin 95 procent nog onbekend is. We hebben iets revolutionairs nodig, maar ik heb hoge verwachtingen van Euclid.’