20 april 2021

Zonder donkere materie zou zwaartekracht aantrekkend én afstotend moeten zijn

De ruimtelijke verdeling van meer dan vier miljoen sterrenstelsels, zoals gemeten door de Sloan Digital Sky Survey (SDSS). Credit: Sloan Digital Sky Survey Collaboration,

Wat nou als donkere materie helemaal niet bestaat? Wat nou als 85% van alle materie in het heelal niet bestaat uit donkere materie, maar alles bestaat uit gewone materie, materie van protonen, elektronen en neutronen, waar jij en ik en alle sterren uit zijn opgebouwd? Wat nou als die donkere materie toch niet bestaat, ondanks de vrachtlading aan indirecte bewijzen voor z’n bestaan, veelal observationele aanwijzingen, zoals de vlakke rotatiecurves van sterrenstelsel, de zwaartekrachtlenzen en de pieken in het powerspectrum van de kosmische microgolf-achtergrondstraling? Dán staat één ding als een paal boven water: dan kloppen de zwaartekrachtwetten van Newton en Einstein niet, die van Newton voor de situaties met zwakke zwaartekracht en die van Einstein voor situaties bij sterke zwaartekracht. Dan moet er een andere zwaartekrachtwet komen, die al die observationele aanwijzingen kan verklaren. En dan komen we meteen bij het recente werk van de twee kosmologen Kris Pardo (NASA’s Jet Propulsion Laboratory) en David Spergel (Princeton University), die hebben gekeken wat je voor theorie nodig hebt om een heelal zonder donkere materie te verklaren. Zij keken naar de de verdeling van materie in het heelal zoals die er 380.000 jaar na de oerknal uitzag, zoals te zien aan de straling van de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB), zoals gemeten door de Europese Planck satelliet, en zoals die verdeling er nu uitziet, 13,8 miljard jaar later. Op basis van die verdeling vroeger en nu komen ze met een wiskundige functie hoe zwaartekracht zónder de aanwezigheid van donkere materie in z’n werk moet zijn gegaan om van de vroegere verdeling bij de huidige verdeling uit te komen.

Voorstelling van grootschalige baryonische accoustische oscillaties in het vroege heelal. De aangegeven lengte is 500 miljoen lichtjaar. Credit: LBNL

Wat blijkt: de functie slingert heen en weer tussen positieve en negatieve waarden, bij sommige lengteschalen werkt de zwaartekracht negatief en bij andere lengteschalen positief – men leze hier hun berekeningen. Dat zou dan verklaren waarom de grootschalige zogeheten baryonische accoustische oscillaties (BAO’s), die vooral bij schalen van pakweg 500 miljoen lichtjaar lengte actief zijn, langzaam webebben en de kleinere sterrenstelsels van pakweg een paar honderdduizend lichtjaar tevoorschijn komen. Maar ja, dat is toch tamelijk absurd, supervreemd zoals Pardo het noemt. Sterrenkundigen zijn echter wel gewend om supervreemde theorieën te bedenken en inderdaad heeft een ander tweetal kosmologen, Constantinos Skordis en Tom Zlosnik (Tsjechische Academie van Wetenschappen) de handschoen opgepakt en zijn zij gekomen met zo’n zwaartekracht – we hadden het er eerder ook al over. Om dat voor elkaar te krijgen voegen ze aan Einstein’s veldvergelijking van de zwaartekracht uit 1915 een extra term toe, een zogeheten scalar veld van energie.

Einstein’s veldvergelijking, basis van de Algemene Relativiteitstheorie uit 1915. De term Lambda (Λ) is de kosmologische term en die werd er door Einstein pas in 1917 aan toegevoegd.

Bij grote schaalgroottes zou dat scalarveld zich als materie gedragen en zou het alleen in interactie met zichzelf zijn, zodat het donkere materie ‘nadoet’. Pardo heeft in een reactie die theorie erg interessant genoemd, maar wijst er wel op dat Skordis en Zlosnik het ene mysterieuze ding, donkere materie, vervangen door een ander mysterieus ding, het scalar energieveld. En ja, donkere materie is wat dat betreft toch een stuk simpeler, aldus Pardo. Bron: Science.

Comments

  1. Persoonlijk vind ik een formule die de data correct beschrijft een stuk minder vreemd dan een DM-hypothese. Die laatste krijgt in formules de gedaante van een “open variabele”, d.w.z. invullen wat nodig is om het kloppend te krijgen..

    • Dat is natuurlijk ook wel logisch. Je gaat geen waarde gebruiken die observationeel niet klopt, dat geldt ook voor andere natuurkundige vergelijkingen. Van belang is het aantal onbekende variabelen, en het is in dit opzicht dat DM simpeler is.

      • Wybren de Jong zegt

        Ik vind het ook een groot probleem dat dit voorstel impliceert dat zwaartekracht op bepaalde afstanden afstotend werkt. Dat staat haaks op het begrip van zwaartekracht dat we nu kennen, waarbij het om kromming van de ruimte gaat. De algemene relativiteitstheorie blijkt ontzettend nauwkeurig te zijn, het wordt telkens weer bevestigd door steeds nauwkeurigere metingen. Ik begrijp niet hoe je dat kan verenigen met een hypothese die stelt dat de zwaartekracht afstotend werkt.

        • Wybren, twee twijfelende kanttekeningen:
          1 – Als de relativiteitstheorie alle data correct zou beschrijven, had je geen DM-hypothese nodig gehad.
          DM begon met de vaststelling (Rubin) dat de theorie de beweging van melkwegstelsels niet goed beschreef.
          2 – Het niet begrijpen hoe het werkt ( over afstoting) gaat m.i. ook op voor “gewone” zwaartekracht. Er is geen verklaring voor de manier waarop massa tijd/ruimte kan vervormen. Wel een beschrijving, geen verklaring.
          Dat er een afstotende kracht bestaat, lijkt waarschijnlijk. Dat die kracht groter wordt in een vacuum, dus zonder materie, zou juist kunnen zijn. Dan is de stap naar een enkele formule die de relatie tussen materie en een kracht beschrijft voor mij niet zo groot meer.

          • Wybren de Jong zegt

            ad1: hier word ik zo moe van!
            Keer op keer wordt in de reacties bij blogs hier de algemene relativiteitstheorie (ART) aangevallen.
            Dat slaat nergens op. Lees de vele blogs van Arie die over de ART gaan.
            Korte reactie:
            – de ART is niet afhankelijk van het begrip ‘donkere materie’
            – de ART is niet ontworpen om de beweging van sterrenstelsels zoals de Melkweg te verklaren
            – de ART is bevestigd zonder enige aannames over het bestaan van donkere materie
            – de ART is bevestigd door de afbuiging van licht rond de zon en rond andere sterren te meten.
            – de ART is ook bevestigd door metingen aan de baan van de planeet Mercurius
            – de ART is bevestigd op nog 7 andere manieren die niet afhankelijk zijn van DM.

          • Allemaal waar. Maar je kan niet ontkennen dat de data over bewegingen in melkwegstelsels NIET overeenkwamen met de ART. Het kunnen de waarnemingen zijn, het kan de ART zijn, maar er ligt wel een probleem. En DM blijft vrij hardnekkig steken in de status van een hypothese.

  2. Volgens mij is ART niet zozeer fout, maar mogelijk wel onvolledig (QM, zwarte gaten). Zoals Newtons zwaartekracht dat ook is. ART zelf is in elk geval geen stelling tegen de juistheid van Newton, meer een aanvulling.

    Uiteraard kun je DM niet anders zien dan als nog altijd hypothetisch. Maar dit is natuurlijk geen argument tegen (of voor) de juistheid ervan.

    Daarnaast, “vrij hardnekkig blijven steken” vind ik geen eerlijke kwalificatie. DM is een overkoepelende term voor verscheidene verklaringen die je niet allemaal met gemak kunt ontkrachten, maar ik heb al meerdere Astroblogs gelezen over afgevallen DM-kandidaten.

    • Ik probeer het eerlijker:
      “Bewijstechnisch” lijkt DM me een erg lastige zaak. Er zijn verschillende toetsbare verklaringen gegeven, maar tot op heden heeft toetsing niet echt overtuigend kunnen laten zien dat het bestaat, of waaruit het bestaat. Dat het lastig is, zit natuurlijk vooral in het feit dat het “dark” is. En: geen bewijs voor het bestaan van DM is natuurlijk ook geen bewijs voor het niet-bestaan. Maar ik wil toch pleiten voor een grote wetenschappelijke strengheid, het is geen sinecure om uitspreken te doen over een heel groot deel van het heelal zonder een solide basis. Daarom hecht ik aan “de DM-hypothese”.
      Zo beter ?

      • Ik wilde duidelijk maken dat DM niet ergens blijft steken, er is echt wel vooruitgang ook al weten we nog altijd niet waaruit het bestaat. Je pleidooi gaat echter ook op voor alle alternatieven.

        De wetenschappelijke strengheid is er natuurlijk al, en die is ook nodig. Maar een solide observationele basis voor DM is er ook, het een staat het ander dan ook niet in de weg.

  3. En zo kom ik weer op het idee van Alan Guth bij zijn onderzoek naar het monopoolprobleem (een magnetische monopool is een hypothetisch elementair deeltje dat één magnetische pool (een monopool) bevat), dat inhoudt dat er volgens de gangbare oerknaltheorieën veel te veel magnetische monopolen gevormd zouden moeten worden. Dit is de basis van zijn kosmische inflatie theorie. Zo kunnen monopolen elkaar zowel afstoten als aantrekken en wellicht gaat zoiets dan ook op voor gravitatie…. why nut ? bron: https://nl.wikipedia.org/wiki/Magnetische_monopool

  4. Wim Kohsiek zegt

    Terugkomend op Einstein’s veldvergelijking vraag ik mij af of ? niet ergens in de inflatieperiode quantum fluctuaties rond nul heeft ondervonden. De negatieve fluctuaties gedragen zich als materie, de positieve vormen samen misschien de “dark energy”. Aannemende verder dat tijdens de expansie van het heelal de verdunning van die negatievelingen in de ruimte-tijd gelijk opgaat met die van de baryonische materie, zie ik geen conflict met de harmonische pieken in de CMB. De huidige afmetingen van de negatievelingen zou dan veel groter moeten zijn dan die van een zonnestelsel, maar veel kleiner dan een melkweg.
    NB ik heb die idee jaren geleden geopperd aan Zenit, maar uiterst negatieve reacties ontvangen, met name inzake de CMB. Misschien was ik niet duidelijk geweest.

    • “quantum fluctuaties rond nul”
      Nul wat? Kelvin? Welk concept en mechanisme gaan hierachter schuil?
      Quantum fluctuaties “rond” nul duiden op negatieve energie. Niet meteen onmogelijk, mits voorzien van een nu ontbrekende context, maar dat komt absoluut niet zomaar uit Einsteins vergelijkingen rollen.

      “De huidige afmetingen van de negatievelingen zou dan veel groter moeten zijn dan die van een zonnestelsel, maar veel kleiner dan een melkweg.”
      Waarom zijn “negatievelingen” zo klein? Als de positievelingen er met de materie vandoorgaan, moeten de voids wel groeien immers…
      Welke methode heb je gebruikt om de afmetingen zo af te kunnen bakenen?

      Wat je schrijft gaat in tegen wat we zien, en/of is in de kern onbegrijpelijk. Als je dit ook zo deed bij Zenit, snap ik de negatieve reacties. Sterker, als jij wetenschappelijk geschoold bent, zou je dat zef ook moeten snappen. Wetenschap is niet gebaat bij geneuzel. Iedereen kan Wat Als suggesties doen, maar ze uitwerken tot een toetsbaar en samenhangend model is waar je moeite voor moet doen. En het is pas dan dat je mag verwachten dat een tijdschrft als Zenit je werk wat serieuzer zal bekijken.

  5. Wim Kohsiek zegt

    Ik was kennelijk niet duidelijk. Ik bedoelde quantumfluctuaties van de kosmologische constante rond de waarde nul. De vraagteken in mijn eerste zin is een typo, het is die constante.
    Mijn gedachte is dat er een veelheid ontstaan is aan ruimtetijd gebieden met negatieve en positieve fluctuaties in de kosmologische constante. Een negatief gebied gedraagt zich in de veldvergelijking als een materiedeeltje. Ik zoek dus naar een vergaande gelijkwaardigheid van materie en negatieve gebieden. Uiteindelijk groeien (en dat is waar ik naartoe wil) die negatieve gebieden uit tot donkere materie.
    Als ik de parallel met materie (ik bedoel hier steeds baryonische materie) verder werk, dan zou een enkel negatief gebied ongeveer 1 kubieke meter in beslag nemen, overeenkomen met de gemiddelde neutronendichtheid van het heelal. De clustering van negatieve gebieden moet wel zodanig zijn dat de beweging van de planeten van ons zonnestelsel het kan (moet) doen zonder kleinere clusters donkere materie, maar melkwegstelsel hebben die wel nodig..
    Ik pretendeer absoluut niet een theorie of een gedegen model te presenteren, slechts een hypothese, een gedachtegang, niet meer dan dat. Op het ogenblik zien we dat de hoop dat een nog te ontdekken elementair deeltje verantwoordelijk is voor de donkere materie,tanende is. Men zoekt naar andere oplossingen. Dan begin je met een gedachte.

    • Heb je het over de tijd van inflatie of de huidige expansie?

      • Wim Kohsiek zegt

        Ik denk hier aan een parallel met het ontstaan van de potentiaal fluctuaties die uiteindelijk tot de signatuur van de CMB hebben geleid. Dus bij de veronderstelde fluctuaties in de kosmologische constante denk ik over de tijd van inflatie.

        • Het idee dat de energie die ten tijde van inflatie domineerde, converteerde tot de ingrediënten van ons huidig idee is niet nieuw, noch dat van quantum fluctuaties in de CMB. Tussen die twee zit alleen nog wel 370 miljoen jaar 😉

          Quantum fluctuaties in het inflatieveld waren extreem klein. Dat zie je terug in de CMB, het gaat om een paar honderdduizendste van 1 Kelvin verschil – en wel na inflatie, dus was het verschil nog veel kleiner tijdens inflatie. In een exponentiëel groeiend heelal plaatselijk spontane omkering tot inkrimpen? Op biljarden plekken? Door fluctuaties? Nee, sorry. Te onwaarschijnlijk.

          Ik zie echt niet waar en hoe je gebieden met evt. negatieve lambda in donkere materie veranderen, wel een interessante gedachte verder, maar Zenit et al kunnen er zo niets mee hè.

          • “ons huidig idee” moet zijn “ons huidig heelal”

          • Wim Kohsiek zegt

            Toen het heelal ca 10**-37 seconde oud was onderging het een exponentiële groei, de inflatie. In het inflatieveld waren quantum onregelmatigheden, die aan de CMB ten grondslag liggen. De straling kwam vrij van de materie toen het heelal ca. 370 duizend jaar (geen miljoen) was.
            De variaties in de CMB zijn, relatief ten opzichte van 2.7 K, van de orde van 1 op 100.000. Ik zie niet in waarom die verhouding zou veranderen tijdens de periode na 370.000 jaar. Hoe groot de quantum onregelmatigheden waren in het inflatieveld waren is een ander verhaal, en misschien ook niet zo belangrijk. Waar het om gaat, is dat ze er waren en dat door hun aanwezigheid akoestische golven in het foton-electron-baryon plasma konden ontstaan.

            Dat fluctuaties in lambda ten tijde van de inflatie aanleiding zou geven lokale krimp geloof ik niet, daarvoor was het inflatieveld te dominant.

            Ik heb Zenit nooit gevraagd om “er iets mee te doen”. Wel had ik een inhoudelijke reactie verwacht.

          • “Toen het heelal ca 10-37 seconde oud was onderging het […]”**

            Die 370 miljoen was suf, maar een beetje onnodig van je om de standaardkosmologie nog even uit te leggen hoor. Het meeste ervan had ik zelf al gepost om mijn argument te onderbouwen. Dat argument blijft trouwens staan. Want:

            “Hoe groot de quantum onregelmatigheden waren in het inflatieveld waren is een ander verhaal, en misschien ook niet zo belangrijk.”

            Dat is wel belangrijk, want je poneert die fluctuaties als “rond nul”. Dat is de hele basis voor je idee dat negatieve fluctuaties aan materie gekoppeld zitten en positieve aan DE. De rest van je verhaal is vrij algemeen en standaard.

            De vraag blijft dus staan: als inflatie zo sterk was dat het heelal exponentiëel groeide, hoe kunnen minieme variaties in dat veld dan de boel rond of zelfs onder nul laten schommelen? Dat is alsof je een aanstormende auto denkt te gaan stoppen – nee, achteruit denkt te laten rijden – door ertegenaan te blazen.

            “daarvoor was het inflatieveld te dominant.”

            Ja duh. Dat zei ik juist tegen jou. Jij zegt toch dat er desondanks negatieve waardes tussen zaten? Dat is nou juist waar dat veld te sterk voor was. Fluctuaties, akkoord ja. Maar fluctuaties rond nul of daaronder, nee.

            “ik heb Zenit nooit gevraagd om “er iets mee te doen”. Wel had ik een inhoudelijke reactie verwacht.”

            Je hebt het misschien niet letterlijk gevraagd maar je hebt het wel aan ze voorgelegd en je verwachtte wel een inhoudelijke reactie.

            En een reactie waarop precies eigenlijk? Je idee lijkt een enkele stelling: “quantumfluctuaties van de kosmologische constante rond de waarde nul veroorzaken donkere energie als ze positief zijn en materie als ze negatief zijn.”

            Zonder voorspellingen en/of een testbare manier om het tegendeel aan te tonen: wat moet iemand er meer van zeggen dan wij nu al gedaan hebben?

            Ik kan je aanraden de gevolgen te bekijken van een heelal als het onze dat een negatieve kosmologische constante laat afwisselen met een positieve ten tijde van exponentiele groei.

          • Wim Kohsiek zegt

            Het doet mij genoegen dat de discussie meer “to the point” komt (wat mij betreft althans). Alles wat ik er aan toe zou kunnen voegen is spiegelglad ijs voor mij,. Toch maar één overweging. Ik kom weer terug op de quantum fluctuaties met betrekking tot de CMB aan de ene kant en mijn lambda idee aan de andere kant. Je zou die (CMB) quantum fluctaties kunnen opvatten als een superpositie op de inflatie, zonder dat het de inflatie wezenlijk beïnvloed (hier voel ik het ijs al glad worden). Evenzo zou je de fluctuaties in lambda kunnen opvatten: de auto stormt voort, maar hier en daar ietsje sneller of trager.

  6. Wim,

    Hier op Astroblogs stond een maand of wat geleden dit stuk:
    https://www.astroblogs.nl/2020/09/01/kandidaat-voor-donkere-energie-zou-zich-ophouden-in-de-leegtes-tussen-sterrenstelsels/
    Ik denk dat je dat wel interessant zult vinden, mocht je het gemist hebben.

    • Wim Kohsiek zegt

      Dank voor het artikel. Ook “vacuum bubbles”, geïsoleerde bellen met vacuum energie, schijnen kandidaat te zijn voor GEODE’s (Generic Objects of Dark Energy). Ik ga kijken of ik daar wat meer over kan vinden.

  7. JF (Jermaine) Van der Meer zegt

    “Pardo heeft in een reactie die theorie erg interessant genoemd, maar wijst er wel op dat Skordis en Zlosnik het ene mysterieuze ding, donkere materie, vervangen door een ander mysterieus ding, het scalar energieveld. ”

    Zucht…..achjah het is al een hele verbetering, nooit gedacht dat men hier op Astroblogs nog eens zou bijdraaien, dit artikel is dan ook werkelijk een revolutie voor astroblogs em diens bloggers, jammer is wel dat er dan weer wat anders bij word gevoegd, nu is het dus wachten totdat ook dat scalar energieveld op de een of andere manier ontkracht word zodat we weer terug bij af zijn.

    Men moet het denk ik niet alleen over Einstein en Newton hebben maar ook over Kepler, zouden we als de wetten van Newton niet kloppen qua onderbouwing de wetten van Kepler dan wellicht meer op een scholastieke wijze gaan benaderen?

    Fijn weekend trouwens alvast allemaal.

    Met vriendelijke groet,

    Jermaine Van der Meer

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: