Al tientallen jaren theoretiseren astronomen, natuurkundigen en kosmologen dat het heelal gevuld is met een exotische materie die “donkere materie” wordt genoemd en die het vreemde zwaartekrachtgedrag van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels verklaart.
Donkere materie maakt volgens wiskundige modellen driekwart uit van alle materie in het heelal. Maar het is nog nooit gezien of volledig verklaard. En terwijl donkere materie de heersende theorie is geworden om een van de grotere mysteries van het heelal te verklaren, hebben sommige wetenschappers gezocht naar alternatieve verklaringen voor waarom sterrenstelsels zich gedragen zoals ze doen.
Nu zegt een internationaal team van wetenschappers dat het nieuw bewijs heeft gevonden dat donkere materie misschien toch niet echt bestaat.
In een onderzoek dat in november in het Astrophysical Journal is gepubliceerd, melden de wetenschappers minieme afwijkingen in de baansnelheden van verre sterren die volgens hen een zwak zwaartekrachteffect onthullen – en een dat een einde zou kunnen maken aan de heersende ideeën over donkere materie.
De studie suggereert dat een onvolledig wetenschappelijk begrip van de zwaartekracht ten grondslag ligt aan wat de zwaartekracht van sterrenstelsels en sterrenstelselclusters lijkt te zijn, in plaats van uitgestrekte wolken van donkere materie.
Dat zou kunnen betekenen dat pure wiskunde, en niet onzichtbare materie, kan verklaren waarom sterrenstelsels zich gedragen zoals ze doen, zei studie co-auteur Stacy McGaugh, die aan het hoofd staat van de astronomie-afdeling aan de Case Western Reserve University in Cleveland.
Het nieuwe onderzoek meldt dat tekenen van een zwakke zwaartekrachtsvloed, bekend als het “externe veldeffect” of EFE, statistisch kan worden waargenomen in de baansnelheden van sterren in meer dan 150 sterrenstelsels.
De auteurs zeggen dat het effect niet kan worden verklaard door donkere materie theorieën, maar dat het wordt voorspeld door wat bekend staat als de gemodificeerde Newtoniaanse dynamica 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 weet van Newton en Einstein.”
Astronomen hebben lang aangenomen dat sterren om de centra van sterrenstelsels draaiden met snelheden die werden voorspeld door de zwaartekrachtstheorie die meer dan 300 jaar geleden werd geformuleerd door de Engelse natuurkundige en wiskundige Isaac Newton.
Newton baseerde zijn theorie dat voorwerpen elkaar aantrekken met een kracht die varieert naar gelang hun massa, op waarnemingen van de banen van de planeten. Met verfijningen van de theorieën van de in Duitsland geboren natuurkundige Albert Einstein in de 20e eeuw, blijft deze verbazingwekkend nauwkeurig.
Maar waarnemingen van de Coma-cluster van sterrenstelsels in de jaren 1930 door de Zwitserse astronoom Fritz Zwicky, toen werkzaam aan het California Institute of Technology, ontdekten dat deze onderhevig was aan groter dan verwachte gravitatiekrachten – een effect dat hij toeschreef aan “dunkel (kalt) materie,” wat Duits is voor “donkere (koude) materie.”
Toen de Amerikaanse astronomen Vera Rubin en Kent Ford in de jaren zeventig anomalieën in de banen van sterren in sterrenstelsels vonden, theoretiseerden veel wetenschappers dat deze werden veroorzaakt door massa’s onzichtbare “donkere materie” in en rond sterrenstelsels, en het idee heeft sindsdien de astrofysica gedomineerd.
Volgens sommige schattingen maakt donkere materie ongeveer 85 procent uit van alle materie in het heelal. Het zou alleen door zwaartekracht met licht en zichtbare materie interageren, en het verklaart de waargenomen anomalieën in verre sterrenstelsels.
Maar het is nog nooit gezien, en tot nu toe heeft niemand volledig verklaard wat het zou kunnen zijn, hoewel donkere materie kandidaten omvatten zwak interagerende massieve deeltjes, of WIMPS, primordiale zwarte gaten en neutrino’s.
MOND werd in de jaren ’80 geformuleerd door een Israëlische natuurkundige, Mordehai Milgrom, om de waargenomen discrepanties zonder donkere materie te verklaren.
Het stelt voor dat zwaartekracht een zeer kleine versnelling veroorzaakt, niet voorspeld door Newton en Einstein, op zo’n laag niveau dat het alleen kan worden gezien in objecten ter grootte van een melkwegstelsel; en het zou betekenen dat de verklaring van donkere materie niet nodig is.
McGaugh geeft toe dat MOND een minderheidsstandpunt is in de astrofysica, en dat de meeste wetenschappers voorstander zijn van het bestaan van donkere materie – een idee waar hij zelf ook voorstander van was, totdat hij zo’n 25 jaar geleden van mening begon te veranderen.
“Ik zou ooit hetzelfde hebben gezegd: het is absoluut bewezen dat er donkere materie is, maak je er geen zorgen over,” zei hij.
Maar veel van de voorspellingen van MOND zijn gezien in astronomische waarnemingen, en het nieuwste onderzoek is nog een stukje bewijs ervoor, zei hij.
“MOND is de enige theorie die op deze manier geslaagd is,” zei McGaugh. “Het is de enige theorie die routinematig alle voorspellingen heeft laten uitkomen.”
Het nieuwe onderzoek werpt “een zeer interessante kwestie” op, zei Matthias Bartelmann, een hoogleraar theoretische astrofysica aan de Universiteit van Heidelberg in Duitsland, die niet bij het onderzoek betrokken was.
“Kan donkere materie worden verklaard door een andere wet van de zwaartekracht? Het zou zowel voor de kosmologie als voor de deeltjesfysica van groot belang zijn als dat zou kunnen,” zei hij in een e-mail.
Hij betwijfelt echter of het in het nieuwe onderzoek gerapporteerde “externe veldeffect” werkelijk een unieke voorspelling van MOND is, en of het niet door sommige concurrerende theorieën kan worden verklaard.
En aangezien de MOND-theorie is geformuleerd om de rotatieverschillen in melkwegstelsels te verklaren, zou men verwachten dat het testen ervan op melkwegstelsels overtuigende resultaten zou opleveren; in plaats daarvan moet MOND met succes worden getest op andere objecten, zoals clusters van melkwegstelsels, zei hij.