30 september 2020

Nu is er een MOND-theorie die de pieken van de CMB wel kan verklaren

Credit: ESA/Hubble, NASA, Suyu et al.

Dat 85% van alle materie in het heelal bestaat uit donkere materie is de overtuiging van de meeste sterrenkundigen. Maar een kleine groep denkt dat er iets anders aan de hand is, dat de zwaartekrachtwetten van Newton niet juist zijn en dat donkere materie helemaal niet bestaat. Sinds 1983 kennen we de Modified Newtonian Dynamics (MOND) van de Israëlische natuurkundige Mordehai Milgrom, een alternatieve zwaartekrachtstheorie, waarbij aan de originele zwaartekrachtwetten enkele termen worden toegevoegd, zodat het bestaan van donkere materie om waargenomen verschijnselen zoals de vlakke rotatiecurven van sterrenstelsels te verklaren geen vereiste meer is. En inderdaad: de vlakke rotatiecurven van sterrenstelsels, zoals bij M33 (zie de afbeelding hieronder), kunnen perfect beschreven worden met MOND.

De vlakke rotatiecurve van het sterrenstelsel M33. Credit: Stefania.deluca

Er zijn echter meer indirecte aanwijzingen voor het bestaan van donkere materie en eentje daarvan heeft betrekking op het vroege heelal: de variaties in de dichtheid van de materie in het vroege heelal, die een ‘gevlekte structuur’ heeft. Die structuur is zichtbaar via de pieken van het ‘powerspectrum’ van de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB), die onder andere door de WMAP en Planck-satellieten is waargenomen. Dat powerspectrum van de CMB zie je hieronder, de groene lijn is de theoretische curve, de rode stippen zijn de waarnemingen – in deze en deze Astroblogs wordt uitgelegd wat zo’n powerspectrum precies is.

Je ziet diverse pieken en het zijn de tweede en derde piek, rechts naast de grote piek, die voor (donkere) materie van belang zijn. Hieronder wordt in de box uitgelegd wat de pieken precies voorstellen.

De tweede piek vertelt de sterrenkundigen hoeveel gewone materie er in het heelal is, wat ook wel met de term ”baryonic matter” wordt aangeduid. In het vroegste heelal had materie de neiging om door de zwaartekracht naar de plekken te gaan waar de hoogste dichtheid was, de hoogste temperaturen. Maar als materie gaat ophopen gaat de temperatuur nog meer omhoog en dat levert een druk op, tegengesteld aan de zwaartekracht. Hoe meer materie er in het heelal is, des te meer druk, des te lager de tweede piek in het power spectrum. De uitkomst van de metingen met Planck is dat 4,9% van de massa-energie in het heelal bestaat uit gewone ”baryonische” materie, protonen, neutronen, elektronen, etc…De derde piek tenslotte geeft de sterrenkundigen een indicatie voor de hoeveelheid donkere materie. Ook dat heeft de neiging samen te ballen door de zwaartekracht, maar in tegenstelling tot gewone materie is er geen sprake van drukvorming, hetgeen komt omdat gewone materie wel met licht reageert en donkere materie niet. De hoogte van de derde piek is daarom een indicatie voor de verhouding tussen de hoeveelheid donkere materie en de hoeveelheid licht in het vroege heelal.

Credit: Constantinos Skordis en Tom Zlosnik.

Tot nu toe konden de MOND-theorieën (meervoud, er zijn sinds Milgrom vele varianten verschenen) niet overweg met die pieken in de CMB. De lokale kleinschalige verschijnselen, zoals rotatiecurven van sterrenstelsels, kunnen ze er goed mee beschrijven, maar zodra hat gaat om grootschalige verschijnselen, zoals de zwaartekrachtlenzen in clusters van sterrenstelsels en dichtheidsvariaties in het vroege heelal, dan haken de MOND-theorieën af. Tenminste, tot voor kort. Want in juni werd dit vakartikel op de ArXiv gezet, geschreven door Constantinos Skordis en Tom Zlosnik (Central European Institute for Cosmology and Fundamental Physics). Daarin beschrijven ze een nieuwe zwaartekrachtwet, die ze RelMOND noemen, een nieuwe ‘relativistic theory for Modified Newtonian Dynamics‘. Aan de zwaartekrachtwetten van Newton (en Einstein) voegen ze een nieuw veld toe, dat alom aanwezig is in het heelal (net zoals het Higgsveld en electromagnetisch veld). Op grote schaal gedraagr het veld zich als onzichtbare materie, iets wat Zlosnik omschrijft als ‘donker stof’. En daarmee kunnen de pieken in het powerspectrum ook verklaard worden (zie de afbeelding hierboven). Ga je vervolgens naar de kleinere schalen, zoals het niveau van sterrenstelsels, dan verstrengelt het zich met het standaard zwaartekrachtveld en versterkt het deze net genoeg om een sterrenstelsel bij elkaar te houden zonder extra donkere materie.

OK, een nieuwe MOND-theorie die de pieken in de CMB kan verklaren en die kan volstaan zonder donkere materie. De vraag is natuurlijk of dat ook de juiste theorie is. RelMOND voegt vier nieuwe wiskundige termen toe aan de zwaartekracht, de gangbare LCMD theorie (die wel het bestaan van donkere materie veronderstelt, CDM, Cold Dark Matter) voegt er maar eentje toe. En meestal hanteert men in de wetenschap het principe van Ockhams Scheermes: kies voor de hypothese die de minste aannames bevat en de minste entiteiten veronderstelt. Bron: Quanta Magazine + Triton Station (de laatste blog is van MOND-aanhanger Stacey MgGaugh – Case Western Reserve University  – die er een aantal blogs aan wijdt, in de blog vind je de links).

Comments

  1. Wybren de Jong zegt

    Met een paar goed gekozen ad-hoc aanpassingen kan je altijd je theorie redden, ook nadat die eerder gefalsifieerd was door de data. Dat werd al opgemerkt door wetenschapsfilosofen als Karl Popper en Thomas Kuhn.
    De bovenstaande aanpassingen van MOND lijken mij een goed voorbeeld van zulke ad-hoc uitbreidingen om de theorie te redden.

    • Aan de andere kant is de originele data van het LDCM spectrum ook ff (naderhand) aangepast zodat die Mond theorie al meteen achter de feiten aanliep. Ik lees op Triton Station over piek 2 “Not only do they not mention it, many people seem to seem to have convinced themselves that LCDM correctly predicted the second peak in advance, when in fact it came as a tremendous surprise. This is an example of hindsight bias/creeping determinism. Or gaslighting.” Dat laatste slaat o.a. op de beroemde Hitchcock film Gaslight waar je voortdurend wordt gemanipuleerd. https://nl.wikipedia.org/wiki/Gaslighting Ditzelfde geldt voor de eigenschappen van het Higgs Boson die voortdurend worden bijgesteld aan de hand van nieuwe data, die m.i. weinig meer met de originele voorspellingen te maken hebben.

  2. Ton van den Goorbergh zegt

    Een parameter verkeerd…plof…weg theorie.

    Op heelallische schaal spelen waarschijnlijn heel andere fenomenen waarvan wij (nog) geen notie hebben.

    Valt niet mee om hele dagen met je tijd zinnig bezig te zijn; dan gaan we maar weer eens iets nieuws bedenken en de gangbare inzichten overhoop halen.

    • Er zijn genoeg nog veel zinlozer baantjes op de wereld.
      En ooit zal iemand toch moeten aantonen dat zwarte materie niet bestaat? Het blijft een vrij hopeloze manier om het heelal te verklaren, en een betere theorie blijft welkom.

  3. Donkere materie. Een betere theorie? Graag, of anders dat we eindelijk eens vinden wat donkere materie nu eigenlijk is.

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: