Decennialang hebben astronomen, natuurkundigen en kosmologen getheoretiseerd dat het universum gevuld is met een exotisch materiaal dat “donkere materie” wordt genoemd en dat het vreemd zwaartekrachtgedrag van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels verklaart.
Donkere materie vormt volgens wiskundige modellen driekwart van alle materie in het universum. Maar het is nooit gezien of volledig uitgelegd. En terwijl donkere materie de heersende theorie is geworden om een van de grotere mysteries van het universum te verklaren, hebben sommige wetenschappers gezocht naar alternatieve verklaringen voor waarom sterrenstelsels zich gedragen zoals ze doen.
Nu zegt een internationaal team van wetenschappers nieuw bewijs te hebben gevonden dat donkere materie misschien toch niet echt bestaat.
Een zwak zwaartekrachteffect
In onderzoek dat in november in het Astrophysical Journal is gepubliceerd, melden de wetenschappers kleine verschillen in de baansnelheden van verre sterren, waarvan ze denken dat ze een zwak zwaartekrachteffect onthullen. En daarmee een einde zou kunnen maken aan de heersende ideeën over donkere materie.
De studie suggereert dat een onvolledig wetenschappelijk begrip van de zwaartekracht achter wat de zwaartekracht van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels lijkt te zijn, in plaats van enorme wolken van donkere materie.
Dat zou kunnen betekenen dat pure wiskunde, en niet onzichtbare materie, zou kunnen verklaren waarom sterrenstelsels zich gedragen zoals ze doen, zei co-auteur Stacy McGaugh, hoofd van de afdeling astronomie aan de Case Western Reserve University in Cleveland.
Het nieuwe onderzoek meldt dat tekenen van een zwak zwaartekrachtgetijde, bekend als het “externe veldeffect” of EFE, statistisch kunnen worden waargenomen in de omloopsnelheden van sterren in meer dan 150 sterrenstelsels.
De auteurs zeggen dat het effect niet kan worden verklaard door theorieën over donkere materie, maar wordt voorspeld door wat bekend staat als de Modified Newton Dynamics theorie, of MOND.
“Wat we eigenlijk zeggen is dat er absoluut bewijs is voor een discrepantie,” zei McGaugh. “Wat je ziet is niet wat je krijgt, als je alleen maar iets weet over Newton en Einstein.”
Astronomen gingen er lang van uit dat sterren rond de centra van sterrenstelsels cirkelden met snelheden die werden voorspeld door de zwaartekrachttheorie die meer dan 300 jaar geleden werd geformuleerd door de Engelse natuurkundige en wiskundige Isaac Newton. Die theorie werd verfijnd met de inzichten van Einstein in de 20e eeuw. Tot nu toe bleef de theorie verbazingwekkend nauwkeurig.
“Dunkel (kalt) Materie”
Maar waarnemingen van de Coma-cluster van sterrenstelsels in de jaren 1930 door de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky, die toen aan het California Institute of Technology werkte, ontdekten dat het cluster onderhevig was aan grotere dan verwachte zwaartekrachten – een effect dat hij toeschreef aan “dunkel (kalt) materie“. ”, wat Duits is voor “donker (koud) materiaal.”
Toen de Amerikaanse astronomen Vera Rubin en Kent Ford in de jaren zeventig anomalieën ontdekten in de banen van sterren in sterrenstelsels, dachten veel wetenschappers dat ze werden veroorzaakt door massa’s onzichtbare “donkere materie” in en rond sterrenstelsels, en dat idee heeft sindsdien de astrofysica gedomineerd.
Volgens sommige schattingen maakt donkere materie ongeveer 85 procent uit van alle materie in het universum. Er wordt gezegd dat het alleen door zwaartekracht in wisselwerking staat met licht en zichtbare materie, en het verklaart de waargenomen anomalieën in verre sterrenstelsels.
Maar die materie is nog nooit gezien, en tot nu toe heeft niemand volledig uitgelegd wat het zou kunnen zijn, hoewel kandidaten voor donkere materie zwak op elkaar inwerkende massieve deeltjes (WIMPS) zijn, of zwarte gaten of neutrino’s.
Modified Newton Dynamics
MOND werd in de jaren tachtig geformuleerd door een Israëlische natuurkundige, Mordehai Milgrom, om de waargenomen discrepanties zonder donkere materie te verklaren.
Hij stelde voor dat de zwaartekracht een zeer kleine versnelling veroorzaakt, niet voorspeld door Newton en Einstein, zo gering dat het alleen te zien is in objecten ter grootte van een melkwegstelsel. Dat zou betekenen dat een verklaring met donkere materie niet nodig is.
Tot nu toe heeft MOND verschillende wetenschappelijke tests overleefd, hoewel veel wetenschappers zeggen dat het bijvoorbeeld de waarnemingen van de Bullet-cluster van botsende sterrenstelsels niet kan verklaren.
McGaugh geeft toe dat MOND een minderheidsstandpunt is in de astrofysica en dat de meeste wetenschappers voorstander zijn van het bestaan van donkere materie. Dat was een idee waar hij zelf ook voorstander van was, totdat hij ongeveer 25 jaar geleden van gedachten begon te veranderen.
Veel van de voorspellingen van MOND zijn gezien in astronomische waarnemingen, en het laatste onderzoek is daar ook een bewijs voor, zei hij.
“MOND is de enige theorie die op deze manier is geslaagd,” zei McGaugh. “Het is de enige theorie waarbij routinematig alle voorspellingen zijn uitgekomen.”
Het nieuwe onderzoek werpt “een zeer interessante kwestie” op, zei Matthias Bartelmann, een professor in de theoretische astrofysica aan de Universiteit van Heidelberg in Duitsland, die zelf niet betrokken was bij het onderzoek.
“Kan donkere materie worden verklaard door een andere wet van de zwaartekracht? Het zou zowel voor de kosmologie als voor de deeltjesfysica van het grootste belang zijn als het kon.”, zei hij in een e-mail.
Hij betwijfelt echter of het “externe veldeffect” dat in het nieuwe onderzoek wordt gerapporteerd, echt een unieke voorspelling van MOND is en niet kan worden verklaard door sommige concurrerende theorieën.
En aangezien de MOND-theorie is geformuleerd om de rotatieverschillen in sterrenstelsels te verklaren, zou het testen ervan op sterrenstelsels naar verwachting overtuigende resultaten opleveren. Maar de echte test is als MOND succes heeft op andere objecten, zoals clusters van sterrenstelsels, zei hij.
