25 januari 2021

MOND-voorspelling van zwaartekrachteffect gehele heelal is gemeten

Het zonnebloemstelsel (M63, NGC 5055), één van de 153 onderzochtte sterrenstelsels. Credit: Creative Commons/ESA/NASA.

Een internationale groep van sterrenkundigen heeft door onderzoek aan 153 sterrenstelsels een effect gemeten dat voorspeld wordt door Modified Newtonian dynamics (MOND), de theorie waarmee begin jaren tachtig de Israëlische natuurkundige Mordehai Milgrom (Weizmann Institute – Israel) op de proppen kwam, een theorie die er niet van uit gaat dat donkere materie bestaat, maar dat Newton’s zwaartekrachtwetten moet worden herzien. Waarnemingen onder andere aan de rotatiecurven van sterrenstelsels en aan zwaartekrachtlenzen laten zien dat er te weinig gewone materie in het heelal is om die waarnemingen te verklaren. Dat kan twee dingen betekenen: of er is naast gewone materie ook een enorme hoeveelheid onzichtbare, donkere materie of de gebruikte zwaartekrachttheorie klopt niet. Milgrom kwam dus bijna veertig jaar geleden met MOND aanzetten en die theorie wordt vandaag de dag door een klein groepje sterrenkundigen aangehangen, waaronder Stacy McGaugh (Case Western Reserve University), één van de onderzoekers. Wat hij en z’n collega’s hebben gedaan is kijken of je bij sterrenstelsels het zogeheten “external field effect” (EFE) kunt meten. Dat is een voorspelling die MOND doet en die er op neer komt dat de interne beweging in een object, bijvoorbeeld een sterrenstelsels zoals het Melkwegstelsel, niet alleen afhangt van de massa van dat object zelf, maar ook van het zwaartekrachteffect van de massa van de rest van het heelal. De zwaartekrachtwetten van Newton (en voor relativistische snelheden en sterke zwaartekrachtvelden ook die van Einstein) doen die voorspelling niet, die laten het zwaartekrachteffect van de massa van de rest van het heelal buiten beschouwing.

De rotatiecurve van NGC 5055 (y-as snelheid in km/s, x-as straal in kpc). De blauwe en groene banden geven de rotatie weer die wordt verwacht van de waargenomen sterren en gas, gewone materie dus. De rode band is de MOND-voorspelling met (links) en zonder (rechts) het externe veldeffect (EFE) van Chae et al. ΔBIC is een statistische maat die aangeeft of het gebruik van EFE een zinvolle verbetering is ten opzichte van die zonder EFE. Credit: Chae et al.

OK en wat blijkt nu: onderzoek aan de rotatiecurven van 153 schijf-sterrenstelsels, waarvan de gegevens afkomstig zijn uit de Spitzer Photometry and Accurate Rotation Curves (SPARC) database, laat zien dat EFE meetbaar is! Wat ze konden zien is dat sterrenstelsels die te maken hebben met sterke externe veldeffecten langzamer bleken te roteren (d.w.z. dat de afnemende rotatiecurves lieten zien) dan sterrenstelsels die met zwakke externe effecten te maken hebben. Eén van de sterrenstelsels die het team van sterrenkundigen, dat onder leiding stond van Kyu-Hyun Chae (Sejong University, Zuid-Korea), was M63 (NGC 5055), ook wel het Zonnebloemstelsel genoemd (zie de foto bovenaan). Dat stelsel heeft te maken met een sterk extern veldeffect en daar konden de onderzoekers met een statistische betrouwbaarheid van maar liefst 11σ EFE meten, dat z’n rotatiecurve een geleidelijke afname vertoonde – zie de grafiek hierboven. De statistische betrouwbaarheid van alle 153 sterrenstelsels bij elkaar was 4,7σ. Hier het vakartikel over het onderzoek, verschenen in the Astrophysical Journal. Bron: Eurekalert + Triton Station.

Comments

  1. Enceladus zegt

    Mooi, dan kan donkere materie eindelijk naast ether worden opgeborgen in het rariteitenkabinet van kosmologische verzinsel.

    Groet,
    Gert (Enceladus)

    • Hohoho (ik lijk de Kerstman wel), zo snel gaat dat niet. Het is een statistisch onderzoek en daar zal vast vanuit het DM-kamp een reactie op komen. Zelf heb ik er ook wel vraagtekens bij. Zo vraag ik mij af hoe ze het verschil maken tussen sterrenstelsels die te maken hebben met sterke externe veldeffecten en zwakke externe veldeffecten. Dat ‘external field effect’ (EFE) is het zwaartekrachteffect van alle materie in de rest van het heelal buiten het sterrenstelsel. Je zou toch denken dat EFE voor alle sterrenstelsels even groot zou moeten zijn en dat er geen onderscheid is tussen sterke en zwakke externe veldeffecten. Wellicht is er een verklaring voor, maar ik zit te weinig in MOND om dat te weten. En verder blijft MOND problematisch bij grootschalige structuren, zoals (super-)clusters.

      • “Je zou toch denken dat EFE voor alle sterrenstelsels even groot zou moeten zijn”

        Ik denk dat ze naar de aanwezigheid van stelsels in de nabijheid hebben gekeken. Individuele stelsels kunnen natuurlijk dichter in de buurt van andere (grote) stelsels staan dan andere. Gegeven de afname van zwaartekracht met de afstand zou dat effect moeten hebben op de sterkte van het ‘EFE’.

        Ik sluit me trouwens aan bij je scepsis. Het is wel een prikkelend onderzoek, maar niet genoeg om DM af te schrijven.

        • Ja dat zou kunnen, dat de stelsels met een sterk externe effect in een dichtbevolkte buurt liggen van andere sterrenstelsels en stelsels met een zwak extern effect in een rustige buurt zonder andere stelsels. Maar dan zou je verwachten dat in dat laatste geval, als er dus geen storende nabije sterrenstelsels zijn, het effect van EFE (van de massa van de rest van het heelal dus) meetbaar zou moeten zijn. Want dat is toch wat ze zeggen te hebben gemeten, de invloed van de massa van de rest van het heelal. Maar wat schrijft Stacey McGaugh (Triton Station) dan vervolgens in z’n blog (link zit onderaan m’n blog): “Then Kyu showed that the most isolated galaxies – those subject to the lowest environmental accelerations – showed no effect.” En dat snap ik dan niet. Je zou bij die meest geïsoleerde stelsels toch minimaal die EFE verwachten?

          • Het effect van verre bronnen die aan de EFE bijdragen is mogelijk te klein om te kunnen laten zien. Misschien moet ook de rotatiecurve zelf gedetailleerder worden gemeten.

            Ik geloof in elk geval niet dat de auteurs van het paper de EFE die zij demonstreren aan het hele heelal wijten, maar specifiek aan de omgeving van de betrokken stelsels. Het gaat in dat geval niet om het effect van de EFE in het heelal, maar lokaal. Ik kan het mis hebben, ik zal het paper vanavond nog eens proberen te lezen.

          • Ok, ik heb nog eens naar het paper gekeken. EFE is weliswaar externe invloed, maar in de context van de theorie of in elk geval dit onderzoek is het zo te zien niet de invloed van massa van de rest van het heelal die men verwacht in grofweg elk stelsel te gaan meten. Het gaat om specifieke stelsels waar ze verwachten een zwakke maar duidelijke afname in de rotatiecurve van de buitenste regio te zien:

            “MOND (…) predicts that galaxies in strong external fields should display a weak but distinctive decline in their outer rotation curves. This peculiar feature (…) can be used to distinguish between modified gravity in MOND and standard gravity with DM.”

            Het gebruik van de gradatie “strong” laat zien dat het om lokale effecten moet gaan die blijkbaar verschillen van wat er met stelsels in weak (of mean) internal fields gebeurt. Verderop bevestigen ze de focus op stelsels met hoge EFE:

            “Here we report a robust EFE detection in rotationally supported galaxies using two complementary approaches: (1) focusing on individual galaxies where the external gravitational field is exceptionally large (…)”

            Toch is ook de gemiddelde EFE van het lokale heelal erbij betrokken:

            “(…) and (2) studying weak systematic deviations from the RAR driven by the mean gravitational field of the local universe.”
            (RAR is de “radial acceleration relation”, de relatie tussen de geobserveerde snelheden en de op grond van de massa verwachte snelheden – via Newton).

            Vanaf dit punt wordt het paper erg technisch. Maar in de paragraaf Discussion wordt duidelijk dat met dit “local universe” niet wellicht het observeerbare heelal bedoeld werd, maar het lokale heelal rondom de bestudeerde stelsels: de onderzoekers schrijven dat de gemiddelde EFE die door de geschatte baryonische massaverdeling van de stelsels wordt opgewekt, overeenkomt met de berekende EFE vanuit de rotatiecurves:

            “Moreover, rotation-curve fits with Equation 6 give a mean value of e that is indistinguishable from the mean environmental gravitational field at the location of SPARC galaxies, computed in a fully independent fashion from the average distribution of mass in the nearby universe.”

            De schaalgrootte van dat nabije heeal is trouwens “a few megaparsec”.

            In hun conclusie zijn ze tot slot nog expliciet over de negatieve verwachting om EFE effecten te meten bij de meest geïsoleerde stelsels:

            “(…) the EFE is not detected in control galaxies residing in the weakest external gravitational fields, as expected.”

            Ik kan niet vinden of het effect van “de rest van het heelal” onmeetbaar is, of dat er een bepaalde waarde is die de EFE minimaal moet hebben (wat dan uit de wiskunde voort zou vloeien). Wel is duidelijk dat men het effect in zijn geheel niet verwacht te zien in geïsoleerde stelsels.

          • Een link uit het trition station artikel:
            http://astroweb.case.edu/ssm/mond/EFE.html
            One of the curious aspects of MOND is the External Field Efect (EFE). Because the theory violates the strong equivalence principle (but not necessarily the Einstein or weak equivalence principle), one can not ignore the influence of external masses that impose an acceleration g(ext) on systems with small inernal accelerations g(in).

            Volgens mij liggen die zogenaamd geisoleerde stelsels te ver om enig effect te kunnen meten van het EFE. Als ik het goed begrijp is a() van invloed, quote MOND wiki “a0 is a new fundamental constant which marks the transition between the Newtonian and deep-MOND regimes”.
            In geisoleerde stelsels is de interne versnelling g(in) groter dan a() en valt het in de newtonian regime.
            (al weet ik niet of ik dit precies goed zeg 🙂 )

          • Wybren de Jong zegt

            M63, het zonnebloemstelsel, ligt niet in het centrum van een cluster van galaxies.
            M87, een gigantisch elliptisch sterrenstelsel, ligt wel in het centrum van een cluster, nl. het Virgo cluster.
            Hebben ze hun analyse van het EFE ook toegepast op M87?
            Ik zou verwachten dat het EFE daar sterker zou moeten zijn dan bij M63.

          • @Rudiev

            Ik begreep ook zoiets, maar ik kan er niet veel mee. Er werd voor a(0) naar Milgrom verwezen, maar ik had er geen zin in.

            @Wybren
            Nee, M87 zat er niet bij. Een volledige lijst staat in hun artikel (link in de blog). Het gaat ze om de materieverdeling en -dichtheid, niet per se om het centrum van clusters. (Op grond van de schaal die ze geven sluit ik clusters uit van dit effect, maar ik kan er volledig naast zitten.)

            Ik geloof dat de auteurs een statistische manier hebben gebruikt om g(env) te schatten, het “environmental gravitational field”. Eén van de stappen daarbij is dat ze massa hebben toegevoegd in de vorm van stelsels die, zo zeggen ze, te vaag waren om gezien te worden ten tijde van de aanleg van de database (ik dacht SPARC?) waarop ze zich baseren. Als ik het goed volg (en dat doe ik vast niet), dan was dit geen echt gokwerk maar gebruikten ze Lambda CDM-kosmologie en Newtonian mechanics om de missende materie toe te voegen.

            Op dit punt gekomen kan ik kiezen: of ik snap het niet goed genoeg, of de onderzoekers hebben hun effect gevonden omdat ze de benodigde massa er zelf in gestopt hebben. Ik ga uit van het eerste 🙂

  2. LIGO c.s. hebben vastgesteld dat licht (gamma flits) en zwaartekrachtgolven (vrijwel) gelijktijdig bij ons aankomen (GW170817) ofwel dat gravitatie golven dus met de lichtsnelheid gaan. Een van de uitgangspunten van de MOND theorie was dat gravitatiegolven zich juist NIET met c voortplanten. Die theorie van Milgrom is door dit event dus monddood gemaakt zou ik zeggen, of praten we nu over een “Revised Modified Newtonian Dynamics” versie (R-MOND) en heb ik dat gemist?

  3. Bedankt voor het duiken in het vakartikel en het uitpluizen van alle details! Het blijft boeiend!

  4. Hiëronymus zegt

    Misschien is dit de negende, voorheen planeet D, planeet 😉 ?

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: