Wat is materie?

We zijn omringd door materie. In feite zijn we materie. Alles wat we in het universum detecteren, is ook materie. Het is zo fundamenteel dat we gewoon accepteren dat alles uit materie bestaat. Het is de fundamentele bouwsteen van alles: het leven op aarde, de planeet waarop we leven, de sterren en sterrenstelsels. Het wordt meestal gedefinieerd als iets dat massa heeft en een volume van ruimte inneemt.

De bouwstenen van materie worden "atomen" en "moleculen" genoemd. Ook zij zijn materie. De materie die we normaal kunnen detecteren wordt "baryonische" materie genoemd. Er is echter een ander soort materie dat niet direct kan worden gedetecteerd. Maar de invloed ervan kan. Het wordt donkere materie genoemd. 

Normale materie

Het is gemakkelijk om normale materie of "baryonische materie" te bestuderen. Het kan worden onderverdeeld in sub-atomaire deeltjes die leptonen worden genoemd (bijvoorbeeld elektronen) en quarks (de bouwstenen van protonen en neutronen). Dit zijn de atomen en moleculen die de componenten zijn van alles, van mensen tot sterren.

Computerillustratie van een atoommodel met atomen, protonen, neutronen en elektronen. Dit zijn de bouwstenen van normale materie. Science Photo Library / Getty Images

Normale materie is lichtgevend, dat wil zeggen dat het elektromagnetisch en zwaartekracht samenwerkt met andere materie en met straling. Het schijnt niet noodzakelijkerwijs alsof we denken aan een ster die schijnt. Het kan andere straling afgeven (zoals infrarood).

Een ander aspect dat naar voren komt wanneer materie wordt besproken, is iets dat antimaterie wordt genoemd. Zie het als het omgekeerde van de normale materie (of misschien een spiegelbeeld) ervan. We horen er vaak over wanneer wetenschappers het hebben over materie / anti-materie reacties als krachtbronnen. Het basisidee achter antimaterie is dat alle deeltjes een anti-deeltje hebben met dezelfde massa maar tegengestelde spin en lading. Wanneer materie en antimaterie botsen, vernietigen ze elkaar en creëren ze pure energie in de vorm van gammastralen. Dat het creëren van energie, als het zou kunnen worden benut, enorme hoeveelheden macht zou leveren voor elke beschaving die zou kunnen uitvinden hoe het veilig te doen.

Donkere materie

In tegenstelling tot normale materie is donkere materie niet-lichtgevend materiaal. Dat wil zeggen, het heeft geen elektromagnetische interactie en daarom lijkt het donker (d.w.z. het reflecteert niet of geeft geen licht af). De exacte aard van donkere materie is niet goed bekend, hoewel het effect ervan op andere massa's (zoals sterrenstelsels) is opgemerkt door astronomen zoals Dr. Vera Rubin en anderen. De aanwezigheid ervan kan echter worden gedetecteerd door het zwaartekrachteffect op normale materie. De aanwezigheid ervan kan bijvoorbeeld de bewegingen van sterren in een melkweg beperken.

Donkere materie in het universum. Zou het gemaakt kunnen zijn van WIMP's? Deze afbeelding van Hyper Suprime-Cam toont een klein gedeelte (14 boogminuut bij 9,5 boogminuut) van sterrenstelsels met de contouren van een concentratie van donkere materie en een deel van een andere met contourlijnen. Subaru-telescoop / Nationaal astronomisch observatorium van Japan

Momenteel zijn er drie basismogelijkheden voor 'dingen' waaruit donkere materie bestaat:

• Koude donkere materie (CDM): Er is een kandidaat die het zwak wisselwerkende massieve deeltje (WIMP) wordt genoemd en dat de basis zou kunnen vormen voor koude donkere materie. Wetenschappers weten er echter niet veel over of hoe het vroeg in de geschiedenis van het universum had kunnen worden gevormd. Andere mogelijkheden voor CDM-deeltjes omvatten axions, maar deze zijn nooit gedetecteerd. Ten slotte zijn er MACHO's (MAssive Compact Halo Objects), die de gemeten massa donkere materie kunnen verklaren. Deze objecten omvatten zwarte gaten, oude neutronensterren en planetaire objecten die allemaal (of bijna) niet-lichtgevend zijn, maar nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid massa bevatten. Die zouden donkere materie gemakkelijk verklaren, maar er is een probleem. Er zouden er veel moeten zijn (meer dan verwacht gezien de leeftijd van bepaalde sterrenstelsels) en hun verspreiding zou ongelooflijk goed verspreid moeten zijn over het universum om de donkere materie te verklaren die astronomen 'daarbuiten' hebben ontdekt. Koude donkere materie blijft dus een 'werk in uitvoering'.
• Warme donkere materie (WDM): Men denkt dat dit uit steriele neutrino's bestaat. Dit zijn deeltjes die vergelijkbaar zijn met normale neutrino's, behalve dat ze veel massiever zijn en geen interactie aangaan via de zwakke kracht. Een andere kandidaat voor WDM is de gravitino. Dit is een theoretisch deeltje dat zou bestaan ​​als de theorie van superzwaartekracht - een combinatie van algemene relativiteitstheorie en supersymmetrie - grip zou krijgen. WDM is ook een aantrekkelijke kandidaat om donkere materie te verklaren, maar het bestaan ​​van steriele neutrinos of gravitinos is op zijn best speculatief.
• Hete donkere materie (HDM): de deeltjes die als hete donkere materie worden beschouwd, bestaan ​​al. Ze worden "neutrino's" genoemd. Ze reizen bijna met de snelheid van het licht en "klonteren" niet op een manier die we donkere materie zouden projecteren. Ook gezien het feit dat de neutrino bijna massaloos is, zou een ongelooflijke hoeveelheid van hen nodig zijn om de hoeveelheid donkere materie te vormen waarvan bekend is dat die bestaat. Een verklaring is dat er een nog niet-gedetecteerd type of smaak neutrino is die vergelijkbaar is met die waarvan al bekend is dat ze bestaan. Het zou echter een aanzienlijk grotere massa hebben (en dus misschien een lagere snelheid). Maar dit lijkt waarschijnlijk meer op warme donkere materie.

Het verband tussen materie en straling

Materie bestaat niet precies zonder invloed in het universum en er is een merkwaardig verband tussen straling en materie. Dat verband werd tot het begin van de 20e eeuw niet goed begrepen. Toen begon Albert Einstein na te denken over het verband tussen materie en energie en straling. Dit is wat hij bedacht: volgens zijn relativiteitstheorie zijn massa en energie equivalent. Als voldoende straling (licht) op andere fotonen (een ander woord voor licht "deeltjes") van voldoende hoge energie botst, kan massa worden gecreëerd. Dit proces bestuderen wetenschappers in gigantische laboratoria met deeltjesbotsers. Hun werk duikt diep in de kern van de materie, op zoek naar de kleinste deeltjes waarvan bekend is dat ze bestaan.

Dus, hoewel straling niet expliciet als materie wordt beschouwd (het heeft geen massa of volume, althans niet op een goed gedefinieerde manier), is het verbonden met materie. Dit komt omdat straling materie creëert en materie straling creëert (zoals wanneer materie en anti-materie botsen).

Donkere energie

Door de verbinding tussen materie en straling nog een stap verder te brengen, stellen theoretici ook voor dat er een mysterieuze straling bestaat in ons universum. Het heet donkere energie. De aard ervan wordt helemaal niet begrepen. Misschien wanneer donkere materie wordt begrepen, zullen we ook de aard van donkere energie gaan begrijpen.

Bewerkt en bijgewerkt door Carolyn Collins Petersen.