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 van materie is gemaakt. Het is de fundamentele bouwsteen van alles: leven op aarde, de planeet waarop we leven, de sterren en sterrenstelsels. Het wordt meestal gedefinieerd als alles dat massa heeft en een volume in beslag neemt.

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 nog een ander soort materie dat niet direct kan worden gedetecteerd. Maar de invloed kan dat wel. Het heet donkere materie.

Het is gemakkelijk om normale materie of "baryonische materie" te bestuderen. Het kan worden opgesplitst in subatomaire 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.

Normale materie is lichtgevend, dat wil zeggen dat ze elektromagnetisch en gravitatie interageert met andere materie en met straling. Het schijnt niet per se zoals 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 normale materie (of misschien een spiegelbeeld) ervan. We horen het vaak als wetenschappers erover praten materie / antimaterie reacties als krachtbronnen. Het basisidee achter antimaterie is dat alle deeltjes een anti-deeltje hebben met dezelfde massa maar met tegengestelde spin en lading. Wanneer materie en antimaterie botsen, vernietigen ze elkaar en creëren ze pure energie in de vorm van gamma stralen. Als die energiecreatie zou kunnen worden aangewend, zou ze een enorme hoeveelheid energie leveren aan elke beschaving die zou kunnen bedenken hoe ze dat veilig zou kunnen doen.

In tegenstelling tot normale materie is donkere materie materiaal dat niet lichtgevend is. Dat wil zeggen, het werkt niet elektromagnetisch samen en daarom lijkt het donker (d.w.z. het zal niet reflecteren of licht afgeven). 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 opgespoord door het zwaartekrachtseffect dat het heeft op normale materie. De aanwezigheid ervan kan bijvoorbeeld de bewegingen van sterren in een sterrenstelsel beperken.

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

• Koude donkere materie (CDM): Er is één kandidaat, het zwak interactief massief deeltje (WIMP), dat de basis zou kunnen zijn voor koude donkere materie. Wetenschappers weten er echter niet veel van of hoe het vroeg in de geschiedenis van het universum had kunnen worden gevormd. Andere mogelijkheden voor CDM-deeltjes zijn onder meer axions, maar ze zijn nooit gedetecteerd. Ten slotte zijn er MACHO's (MAssive Compact Halo Objects), die de gemeten massa donkere materie zouden kunnen verklaren. Deze objecten omvatten zwarte gaten, oud neutronensterren en planetaire objecten die allemaal niet-lichtgevend zijn (of bijna zo) maar toch een aanzienlijke hoeveelheid massa bevatten. Die zouden donkere materie gemakkelijk kunnen uitleggen, maar er is een probleem. Er zouden er veel moeten zijn (meer dan verwacht zou worden gezien de leeftijd van bepaalde sterrenstelsels) en hun verspreiding zou ongelooflijk moeten zijn goed verspreid over het hele universum om de donkere materie te verklaren die astronomen 'daarbuiten' hebben ontdekt. Koude donkere materie blijft dus een 'werk in vooruitgang."
• Warme donkere materie (WDM): Men denkt dat dit is samengesteld uit steriele neutrino's. Dit zijn deeltjes die vergelijkbaar zijn met normale neutrino's, afgezien van het feit dat ze veel massiever zijn en niet interageren 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 vermenging van algemene relativiteit en supersymmetrie - grip krijgen. WDM is ook een aantrekkelijke kandidaat om donkere materie te verklaren, maar het bestaan ​​van steriele neutrino's of gravitino's 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 op bijna de lichtsnelheid en "klonter" niet samen op een manier zoals we projecteren dat donkere materie dat zou doen. Ook gezien het feit dat de neutrino bijna massaloos is, zou er ongelooflijk veel van nodig zijn om de hoeveelheid donkere materie die bekend is te compenseren. Een verklaring is dat er een nog niet ontdekt type of smaak van neutrino is dat vergelijkbaar zou zijn met de soorten 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.

Materie bestaat niet bepaald 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 er toe doen en energie en straling. Dit is wat hij bedacht: volgens zijn relativiteitstheorie zijn massa en energie equivalent. Als voldoende straling (licht) botst met andere fotonen (een ander woord voor licht "deeltjes") met voldoende hoge energie, kan massa worden gecreëerd. Dit proces is wat wetenschappers bestuderen in gigantische laboratoria met deeltjesbotsers. Hun werk duikt diep in het hart van de materie, op zoek naar de kleinste deeltjes die bekend zijn.

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

Om de materie-stralingsverbinding een stap verder te brengen, stellen theoretici ook voor dat er een mysterieuze straling in ons bestaat universum. Het heet donkere energie. De aard ervan wordt helemaal niet begrepen. Als we donkere materie begrijpen, zullen we misschien ook de aard van donkere energie gaan begrijpen.

Bewerkt en bijgewerkt door Carolyn Collins Petersen.