Galaxieën in ons heelal lijken een onmogelijke prestatie te leveren. Ze draaien met zo’n snelheid dat de zwaartekracht die wordt opgewekt door hun waarneembare materie hen onmogelijk bijeen kan houden; ze zouden zichzelf allang uit elkaar moeten hebben gescheurd. Hetzelfde geldt voor melkwegstelsels in clusters, wat wetenschappers doet geloven dat er iets aan het werk is dat wij niet kunnen zien. Zij denken dat iets dat we nog niet direct hebben kunnen waarnemen, deze sterrenstelsels extra massa geeft, waardoor de extra zwaartekracht ontstaat die zij nodig hebben om intact te blijven. Deze vreemde en onbekende materie werd “donkere materie” genoemd, omdat zij niet zichtbaar is.
Donkere materie
In tegenstelling tot normale materie heeft donkere materie geen wisselwerking met de elektromagnetische kracht. Dit betekent dat het geen licht absorbeert, weerkaatst of uitzendt, waardoor het uiterst moeilijk waar te nemen is. In feite hebben onderzoekers het bestaan van donkere materie alleen kunnen afleiden uit het gravitatie-effect dat het lijkt te hebben op zichtbare materie. Donkere materie lijkt ongeveer zes keer zwaarder te wegen dan zichtbare materie en maakt ongeveer 27% van het heelal uit. Hier volgt een ontnuchterend feit: De materie die wij kennen en waaruit alle sterren en melkwegstelsels zijn opgebouwd, maakt slechts 5% uit van de inhoud van het heelal! Maar wat is donkere materie? Eén idee is dat het “supersymmetrische deeltjes” zou kunnen bevatten – veronderstelde deeltjes die partners zijn van die welke reeds bekend zijn in het Standaard Model. Experimenten bij de Large Hadron Collider (LHC) kunnen meer directe aanwijzingen geven over donkere materie.
Vele theorieën zeggen dat de donkere materie deeltjes licht genoeg zouden zijn om bij de LHC te worden geproduceerd. Als ze bij de LHC zouden worden gemaakt, zouden ze ongemerkt door de detectoren ontsnappen. Ze zouden echter energie en momentum met zich meedragen, zodat natuurkundigen hun bestaan zouden kunnen afleiden uit de hoeveelheid energie en momentum die “ontbreekt” na een botsing. Kandidaten voor donkere materie komen vaak voor in theorieën die fysica suggereren die verder gaat dan het Standaard Model, zoals supersymmetrie en extra dimensies. Eén theorie suggereert het bestaan van een “Verborgen Vallei”, een parallelle wereld van donkere materie die heel weinig gemeen heeft met de materie die wij kennen. Als een van deze theorieën waar zou blijken te zijn, zou dat wetenschappers kunnen helpen een beter inzicht te krijgen in de samenstelling van ons heelal en met name in de manier waarop sterrenstelsels in elkaar zitten.
Donkere energie
Donkere energie maakt ongeveer 68% van het heelal uit en lijkt samen te hangen met het vacuüm in de ruimte. Zij is gelijkmatig over het heelal verdeeld, niet alleen in de ruimte maar ook in de tijd – met andere woorden, het effect ervan wordt niet afgezwakt naarmate het heelal uitdijt. De gelijkmatige verdeling betekent dat donkere energie geen lokale gravitatie-effecten heeft, maar eerder een globaal effect op het heelal als geheel. Dit leidt tot een afstotende kracht, die de neiging heeft de uitdijing van het heelal te versnellen. De snelheid van de uitdijing en de versnelling daarvan kunnen worden gemeten door waarnemingen op basis van de wet van Hubble. Deze metingen hebben, samen met andere wetenschappelijke gegevens, het bestaan van donkere energie bevestigd en geven een schatting van de hoeveelheid van deze mysterieuze stof.