16 oktober 2019

Kan baryonische materie het rotatiegedrag van sterrenstelsels volledig verklaren?

NGC 6946.

De laatste tijd is er veel aandacht voor een artikel van de sterrenkundigen Stacy S. McGaugh, Federico Lelli en Jim Schombert, dat onder de naam The Radial Acceleration Relation in Rotationally Supported Galaxies gepubliceerd is in Physical Review Letters. Dat laatste is een gezaghebbend tijdschrift, dat een strenge selectieprocedure met peer review hanteert. Het drietal heeft de gegevens van 153 spiraal- en onregelmatige sterrenstelsels – verzameld met de infraroodsatelliet Spitzer, de SPARC (Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves) – bestudeerd en op grond daarvan komen ze tot een verband tussen de verdeling van ‘baryonische’ (gewone, zichtbare) materie in de stelsels en de vorm van de zogeheten rotatiekromme, de grafiek van de draaisnelheden van sterren als functie van hun afstand tot het centrum van hun sterrenstelsel. Op grond hiervan komen ze tot de conclusie dat

“….the acceleration observed in rotation curves tightly correlates with the gravitational acceleration expected from the visible mass only.”

… en dat donkere materie dus helemaal niet nodig is! En da’s best een schokkende conclusie, want sinds het onderzoek van Vera Rubin en Albert Bosma in de jaren zeventig denken sterrenkundigen dat die waargenomen rotatiecurves verklaard worden door de aanwezigheid van een grote hoeveelheid donkere materie, die zich als een grote halo rondom de zichtbare materie van de sterrenstelsels bevindt en die gravitationeel van invloed is.

Waargenomen en theoretische rotatiecurve van een sterrenstelsel.

Het staat met geen woord in het artikel in PRL, maar McGaugh is een voorstander van de MOND theorie, de Modified Newtonian Dynamics (MOND), de theorie van Mordehai Milgron, die veronderstelt dat donkere materie niet bestaat en dat de rotatiecurves verklaard kunnen worden door een andere, aangepaste zwaartekrachtstheorie dan die van Newton. McGaugh, Lelli en Schombert concluderen uit de SPARC dat de verdeling van de materie bekeken in infraroodlicht een beter beeld geeft dan in optisch licht en dat die materieverdeling de vlakke rotatiecurves volledig verklaard. Ergo… geen donkere materie meer nodig.

De gegevens van de rotatiesnelheden in de 153 sterrenstelsels.

Echter, er kruipt een addertje onder het gras, een flink addertje bij mijn weten. Het artikel van McGaugh, Lelli en Schombert is namelijk geenszins een verwerping van het bestaan van donkere materie, noch een bevestiging van het bestaan van MOND. De door hen bekeken materieverdelingen en vlakke rotatiecurves beperken zich tot het gebied waar de zichtbare (optische + IR) baryonische materie zich bevindt. Dáár is een 1-op-1 correlatie tussen de materieverdeling en de vlakke rotatiecurves, dus dáár is donkere materie inderdaad niet nodig. Maar bekend is dat de baryonische materie geconcentreerd is in het centrum van de galactische halo van donkere materie en dat die halo zich véél verder uitstrekt – de zichtbare stelsels zijn zeer klein in vergelijking met de halo. Dáár buiten het gebied van de baryonische materie blijft donkere materie noodzakelijk, ook om bijvoorbeeld andere waargenomen effecten zoals zwaartekrachtslenzen te verklaren. Bron: Phys.org + Francis Naukas + Forbes.

Comments

  1. Dag Arie,

    Ik zie die adder nog niet zo scherp en weet even niet waar ik mijn voeten neer kan zetten.
    Kan je me uitleggen welke effecten in het “buiten-baryonische” je bedoelt, en waarom donkere materie nodig is als verklaring ?

    Dank en groet,
    Wim

  2. Ben Dijkhuis zegt

    Dag Arie,

    Ik wil graag de bovenstaande vraag van Wim van Gogh ondersteunen. Misschien kun je jezelf iets verduidelijken?
    Overigens vind ik de verklaring voor de snelheidsdifferentiatie op basis van materieverdeling plausibeler dan die van de aanwezigheid van donkere materie. Een uitstekende en belangwekkende ontdekking! Hopelijk wordt de donkere materiehypothese ooit ten grave gedragen, zoals dat met de ‘ether’ is gebeurd.

    Vast bedankt,

    Ben Dijkhuis

  3. Hallo Wim, bedankt voor je reactie. Je moet dan denken aan effecten, zoals de zwaartekrachtslenzen die ik noemde, de derde piek in het zogeheten powerspectrum van de kosmische microgolf-achtergrondstraling (CMB), de waargenomen verschuiving van donkere en baryonische materie in de Bullet cluster en het gedrag van de binaire pulsar PSR J0737–3039. Zie voor de eerste drie dingen: https://www.astroblogs.nl/2011/03/03/mond-versus-donkere-materie/ , voor de laatste https://medium.com/starts-with-a-bang/the-death-of-dark-matters-1-competitor-98edff3a066f#.o7bo805s6

    [Update] Ik zie nu dat mijn reactie en die van Ben elkaar kruisten. Ik hoop ook Ben z’n vraag hiermee beantwoord te hebben. Precies zoals Ben aangeeft is er een soort tendens dat velen het niet erg vinden als de donkere materie theorie onderuit zou worden gehaald. Prima als daar bewijs voor is, maar mijn idee is dat er op dit moment nog steeds meer argumenten voor DM zijn dan voor MOND. Daar komt bij dat we al van MOND wisten dat die het gedrag van de rotatiesnelheden goed kan verklaren op de schaal van sterrenstelsels – daar is bovenstaand onderzoek een mooi voorbeeld van – maar dat MOND faalt bij de grotere schalen van clusters en superclusters. Wellicht dat de in aantocht zijnde theorie van Erik Verlinde, MOND 2.0 noem ik ‘m maar even, daar wellicht in kan voorzien. Dán hebben we een serieuze tegenkandidaat voor DM.

  4. Paul Bakker Paul Bakker zegt

    Toch interessant. Er wordt wel geknaagd aan een van de belangrijke pijlers van het bestaan van donkere materie. Zonder MOND. Maar ik ben het eens met Arie dat het pas echt indrukwekkend wordt als het onderzoek wordt uitgebreid met het radiogebied met hetzelfde resultaat.

  5. Ik zou denken dat die donkere materie van de halo zich ook gravitationeel laat gelden in zijn binnenste regionen, i.c. het zichtbare stelsel. Maar als de baryonische materie volstaat om de rotatiesnelheden daar te verklaren, dan zou de invloed van de donkere materie de zaken daar alleen maar verstoren, toch? Dat die grote halo niet zou gaan trekken aan het zichtbare stelsel in het centrum lijkt mij niet in overeenstemming met het idee dat de zwaartekracht “onbegrensd” werkzaam is.

    • Paul Bakker Paul Bakker zegt

      De snelheid van een ster wordt bepaald door de hoeveelheid materie binnen zijn baan. De massa in de halo (mits symmetrisch verdeeld) trekt.wel, maar de som van die krachten is nul.

      • Wybren de Jong zegt

        De vraag is of het wel logisch is dat de donkere materie na pakweg 11 miljard jaar (de leeftijd van de melkweg) nog compleet bolsymmetrisch verdeeld is. De gewone materie zit immers in een schijf, niet in een bolvorm. Ook als 85% van de totale massa donker is, dan zouden we na al die miljarden jaren toch wel enig effect van die 15% gewone massa in de schijf verwachten, die immers gravitationeel aan de donkere massa trekt. Ik denk nu aan tweede orde effecten, zoals de getijde krachten op een massa die rond een schijf draait. Bovendien is er ook nog het Andromeda stelsel dat, weliswaar van verre afstand, aan de donkere massa trekt. Het effect van die verstoring gedurende 1000 jaar is wellicht verwaarloosbaar, maar gedurende miljarden jaren?

  6. Goede aanvulling, Paul. Dat ‘cancelling out of the gravitational forces’, waardoor de som van de krachten nul is, heb je ook bij het bekende vraagstuk hoe lang je er over doet om door de aarde te vallen, waarbij je gedurende je val door de lange tunnel zowel massa boven als onder je hebt. Zie deze video:

  7. Aangezien “donkere energie” feitelijk de tegenhanger is van “donkere materie”, dan vraag je je af waarom er dan geen negatieve “donkere energie” zou kunnen bestaan, dus (naar ik aanneem) zonder baryonisch of non-baryonisch gerelateerde materie.

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: