Donkere materie: ‘echt spul’ of onbegrepen zwaartekracht? 

Er heerst al jarenlang een tweestrijd onder astronomen en natuurkundigen. Is de mysterieuze donkere materie die diep in het heelal wordt waargenomen nu écht, of zien we de gevolgen van subtiele afwijkingen van de ons bekende zwaartekrachtswetten? In 2016 kwam de Nederlandse natuurkundige Erik Verlinde met een theorie van de tweede soort: emergente zwaartekracht. Nieuw onderzoek, deze week gepubliceerd in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics, verlegt de grens van donkerematerie-waarnemingen tot in de onbekende buitenregionen van sterrenstelsels, en legt daarmee verschillende donkerematerie-modellen en alternatieve zwaartekrachttheorieën langs de meetlat.

In het midden het elliptische sterrenstelsel NGC5982, rechts daarvan het spiraalvormige sterrenstelsel NGC5985. Deze twee soorten sterrenstelsels blijken zich heel verschillend te gedragen als het gaat om de extra zwaartekracht – en dus mogelijk de donkere materie – in de buitengebieden van de stelsels. Foto: Bart Delsaert (www.delsaert.com).

Metingen van de zwaartekracht van 259.000 geïsoleerde sterrenstelsels tonen een bijzonder nauw verband aan tussen de bijdrage van donkere materie en die van gewone materie, zoals voorspeld in de emergente-zwaartekrachttheorie van Verlinde en een alternatieve theorie met de naam Modified Newtonian Dynamics. De resultaten lijken echter ook overeen te komen met een computersimulatie van het heelal, die uitgaat van donkere materie als ‘echt spul’.

Het nieuwe onderzoek werd uitgevoerd door een internationale groep sterrenkundigen, onder leiding van Margot Brouwer (RUG en UvA). Verdere belangrijke rollen waren weggelegd voor Kyle Oman (RUG en Durham University) en voor Edwin Valentijn (RUG). Brouwer voerde in 2016 al een eerste test van de ideeën van Verlinde uit; dit keer sloot Verlinde zelf zich ook bij het onderzoeksteam aan.

Materie of zwaartekracht?

Donkere materie is nog nooit direct waargenomen – vandaar ook de naam. Wat astronomen aan de hemel zien zijn de gevolgen van mogelijk aanwezige materie: het afbuigen van sterlicht, het sneller dan verwacht bewegen van sterren, en zelfs effecten die de beweging van hele sterrenstelsels beïnvloeden. Dat al die effecten komen door extra zwaartekracht staat buiten kijf, maar de vraag is: zien we nu de gevolgen van daadwerkelijk aanwezige onzichtbare materie, of zijn het de wetten van de zwaartekracht zélf die we nog niet goed begrijpen?

Om die vraag te kunnen beantwoorden gebruikt het nieuwe onderzoek eenzelfde methode als bij de eerste test in 2016. Brouwer en collega’s maken gebruik van een al tien jaar lopend programma van digitale fotografische metingen met ESO’s VLT Survey Telescope in Chili: de KiloDegree Survey (KiDS). Daarin wordt gemeten hoe sterlicht van ver weg gelegen sterrenstelsels onderweg door de zwaartekracht wordt afgebogen voordat het onze telescopen bereikt. Waar de metingen van zulke ‘lenseffecten’ in 2016 nog een gebied van zo’n 180 vierkante graden aan de hemel bestreken, is de reikwijdte inmiddels uitgebreid tot 1000 vierkante graden, waarmee nu rondom een miljoen verschillende sterrenstelsels de zwaartekrachtverdeling gemeten kan worden.

Vergelijkend warenonderzoek

Brouwer en collega’s selecteerden meer dan 259.000 geïsoleerde sterrenstelsels, waarvan ze de zogeheten ‘Radial Acceleration Relation’ (RAR) konden meten. De RAR vergelijkt de hoeveelheid zwaartekracht die men zou verwachten op grond van de zichtbare materie in een sterrenstelsel, met de hoeveelheid zwaartekracht die daadwerkelijk aanwezig is – oftewel: er wordt bepaald hoeveel ‘extra’ zwaartekracht er bestaat, bovenop die van de normale materie. Tot nu toe was die extra zwaartekracht alleen bepaald tot aan de buitenranden van sterrenstelsels door te kijken naar de beweging van sterren, en tot vijf keer daar voorbij met behulp van metingen van de draaisnelheid van koud gas. Met behulp van de lenseffecten van zwaartekracht slaagden deze onderzoekers er nu in om de RAR voor een honderd keer kleinere zwaartekracht te meten dan voorheen, en daarmee door te dringen tot in de veel verdere buitengebieden van sterrenstelsels.

Daarmee kon de extra zwaartekracht extreem goed gemeten worden – maar is die zwaartekracht nu een gevolg van onzichtbare donkere materie, of zijn het de zwaartekrachtwetten zelf die we moeten aanpassen? Auteur Kyle Oman geeft aan dat de aanname van ‘echt spul’ in elk geval deels lijkt te werken: “We vergelijken de metingen in ons onderzoek met vier verschillende modellen: twee waarin het bestaan van donkerematerie-deeltjes wordt aangenomen waarmee het heelal in computers wordt gesimuleerd, en twee waarin de zwaartekrachtwetten worden aangepast – het emergente-zwaartekrachtmodel van Erik Verlinde en de ‘Modified Newtonian Dynamics’, MOND.

Een van de twee donkerematerie-simulaties, MICE, doet voorspellingen die uitstekend in overeenstemming zijn met onze metingen. We waren verrast dat de voorspellingen van de andere simulatie, BAHAMAS, heel anders waren. Dat er überhaupt een verschil was kwam al als een verrassing, omdat de twee modellen veel overeenkomsten hebben. Maar bovendien hadden we verwacht dat, áls er al een verschil was, BAHAMAS het juist beter zou doen. BAHAMAS is een gedetailleerder model dan MICE, dat nauwkeuriger ons huidige begrip van hoe sterrenstelsels zich vormen in een universum met donkere materie benadert. Toch presteert juist MICE veel beter als we de uitkomsten met de metingen vergelijken. In de toekomst willen we aan de hand van wat we nu gevonden hebben nader onderzoeken wat de reden is voor het verschil tussen de simulaties.”

Een grafiek van de Radial Acceleration Relation (RAR). Op de achtergrond een foto van het elliptische sterrenstelsel M87, om de afstand tot de kern van het sterrenstelsel aan te geven. De grafiek toont hoe de meetwaarden lopen van hoge zwaartekrachtsversnelling in het centrum van het sterrenstelsel, naar lage zwaartekrachtsversnelling ver buiten het sterrenstelsel. Afbeelding: Chris Mihos (Case Western Reserve University) / ESO.

Jonge en oude sterrenstelsels

Daarmee lijkt dus ten minste één donkerematerie-verklaring wél te passen. Ook de alternatieve zwaartekrachtmodellen voorspellen echter de gemeten RAR. Gelijk spel dus, lijkt het, maar hoe weten we nu welk model écht klopt? Margot Brouwer, die het onderzoek leidde, vervolgt: “Na onze eerste tests concludeerden we dat de twee alternatieve zwaartekrachttheorieën en MICE redelijk overeenkwamen met onze waarnemingen. Het spannendste kwam echter nog: omdat we meer dan 259.000 sterrenstelsels tot onze beschikking hadden, konden we ze ook opsplitsen in verschillende types: relatief jonge blauwe spiraalvormige stelsels tegenover relatief oude rode elliptische stelsels.” Die twee typen sterrenstelsels hebben een heel verschillende vormingsgeschiedenis: rode elliptische stelsels ontstaan uit interacties tussen verschillende sterrenstelsels, bijvoorbeeld als twee blauwe spiralen langs elkaar scheren of zelfs samensmelten. Men verwacht binnen de deeltjestheorie van donkere materie dat de verhouding tussen normale en donkere materie in die twee typen sterrenstelsels kan verschillen. Modellen zoals die van Verlinde en MOND gebruiken daarentegen geen donkerematerie-deeltjes, en voorspellen daarom een vaste relatie tussen de verwachte en de gemeten zwaartekracht – onafhankelijk van het type sterrenstelsel. Brouwer: “We ontdekten dat de RAR voor de twee typen sterrenstelsels significant verschilde. Dat zou dus een sterke aanwijzing voor donkere materie als deeltje kunnen zijn.”

Maar er zit nog een addertje onder het gras: gas. Veel sterrenstelsels worden waarschijnlijk omhuld door een diffuse wolk heet gas, die heel moeilijk waar te nemen is. Als er rondom de jonge blauwe spiraalstelsels bijna geen gas zit, maar rondom de oude rode elliptische stelsels juist veel (met grofweg evenveel massa als de sterren), dan zou dat het verschil tussen de RAR van de twee typen sterrenstelsels kunnen verklaren. Om een definitieve uitspraak te doen over het gemeten verschil moet de hoeveelheid diffuus gas dus óók nauwkeurig worden gemeten – en laat dat nu net onmogelijk zijn met de KiDS-telescopen. Er zijn wel metingen gedaan voor een kleine groep van zo’n honderd sterrenstelsels, waarbij inderdaad meer gas gevonden werd rond elliptische sterrenstelsels, maar het is nog de vraag hoe representatief die metingen zijn voor de 259.000 stelsels die in het huidige onderzoek werden bestudeerd.

Donkere materie op voorsprong?

Als blijkt dat extra gas het verschil tussen de twee typen stelsels níét kan verklaren, zijn de resultaten van de metingen met donkerematerie-deeltjes makkelijker voorstelbaar dan aan de hand van alternatieve zwaartekrachtsmodellen. Toch is zelfs dan de wedstrijd nog niet gespeeld. Hoewel het verschil lastig te verklaren is binnen MOND, ziet Erik Verlinde nog wel een uitweg voor zijn eigen theorie. Verlinde: “Mijn huidige model is alleen toepasbaar op statische, geïsoleerde, bolvormige sterrenstelsels, en kan daarmee inderdaad de verschillende typen sterrenstelsels nog niet goed van elkaar onderscheiden. Ik zie deze resultaten dan ook als een uitdaging en inspiratie om aan de slag te gaan met een asymmetrische, dynamische versie van mijn theorie, waarin ook meegenomen kan worden dat sterrenstelsels met een verschillende vorm en vormingsgeschiedenis een verschillende hoeveelheid ‘schijnbare donkere materie’ hebben.”

Zelfs met de nieuwe metingen is de strijd tussen donkere materie als deeltje en alternatieve zwaartekracht dus nog niet beslecht. Toch betekenen de resultaten een enorme stap voorwaarts: als het gemeten zwaartekrachtsverschil tussen de diverse soorten sterrenstelsels klopt, dan zal het juiste model, van welke soort ook, in elk geval nauwkeurig genoeg moeten zijn om dit te verklaren. Veel bestaande modellen zouden dan al direct de prullenbak in kunnen, en dat dunt het landschap van mogelijke verklaringen sterk uit. Daarbij vraagt dit onderzoek om systematische metingen van het hete gas rond sterrenstelsels. Edwin Valentijn formuleert het als volgt: “We hebben als waarnemers het punt bereikt waar we de hoeveelheid extra zwaartekracht rondom sterrenstelsels nauwkeuriger kunnen meten dan hun hoeveelheid zichtbare materie. De tegenstrijdige conclusie is dat we de aanwezigheid van normale materie in de vorm van heet gas rond sterrenstelsels nader zullen moeten onderzoeken, voordat we met toekomstige telescopen als Euclid het mysterie van donkere materie definitief op kunnen lossen.” Bron: Astronomie.nl

Rem op draaiing centrale balk Melkweg bevestiging van donkere materie

Voorstelling van ons Melkwegstelsel. Credit: Pablo Carlos Budassi/Wikimedia Commons

Ons Melkwegstelsel is een balkspiraalstelsel, een spiraalstelsel niet met een bolvormige centrale verdikking, maar met een lange ‘balk’ in het centrum, een SB stelsel in Hubble’s kwalificatiesysteem. Recent onderzoek door twee sterrenkundigen van de Universiteit College London (UCL) en Universiteit van Oxford laat zien dat die centrale balk sinds het ontstaan van de Melkweg met een kwart langzamer is gaan roteren. Die afname van de rotatiesnelheid werd meer dan dertig jaar geleden al voorspeld (Tremaine & Weinberg, 1984), maar het is nu pas dat die rem ook daadwerkelijk gemeten is. In de gegevens verzameld met de Europese Gaia satelliet keken de sterrenkundigen naar de informatie over de Hercules stroom, een lange sliert van sterren, die in resonantie is met de centrale balk, dat wil zeggen die door de zwaartekracht in hetzelfde tempo om het Melkwegcentrum draait als de centrale balk. Die resonantie is vergelijkbaar met bijvoorbeeld de Trojanen, een groep planetoïden in de baan van Jupiter, die dezelfde snelheid aanhouden als de planeet. Als de snelheid van de centrale balk afneemt zullen de sterren in de Hercules stroom verder van de Melkweg af bewegen, om zodoende dezelfde snelheid te behouden t.o.v. het centrum. En dat is precies wat Rimpei Chiba en Ralph Schönrich konden zien in de Gaia data, dat de sterren in de Hercules stroom steeds verder van het centrum af raken. Dat konden ze meten door te kijken naar de hoeveelheid metalen in de sterren, dat zijn de elementen zwaarder dan helium. Sterren in het centrum van de Melkweg bevatten pakweg tien keer zoveel metalen als sterren in de schijf of de halo van de Melkweg.

Voorstelling van donkere materie in de halo om de Melkweg. Credit: Wikipedia.

De sterren van de Hercules stroom moeten vroeger dus dichterbij het centrum hebben gezeten en dat laat zien dat ze er vanaf bewegen. Op basis hiervan hebben Chiba en Schönrich berekend dat de centrale balk sinds het ontstaan van de Melkweg 24% langzamer is gaan draaien. En dat komt door de remmende werking van de zwaartekracht veroorzaakt door de donkere materie in de halo van de Melkweg. Dát is tegelijk een probleem voor de modellen die geen donkere materie kennen, zoals de MOND theorie, die uitgaat van een aangepaste zwaartekrachtwet. Dergelijke theorieën hebben geen donkere materie in de halo van sterrenstelsels en ze voorspellen dan ook geen of een veel lagere vertraging in de rotatiesnelheid van de centrale balk. En dat is dus in strijd met de waarnemingen die nu gedaan zijn. Hier het vakartikel over de waarnemingen aan de rem op de snelheid van de centrale balk, in augustus te verschijnen in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Bron: Phys.org.

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.

Wordt een alternatief voor donkere materie wellicht geboden door… de Algemene Relativiteitstheorie?

De Hubble eXtreme Deep Field (XDF). Credit: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI).

Poincaré, Kapteyn, Oort en Zwicky kwamen als eersten aanzetten met het idee van donkere materie (in de jaren tien, twintig en dertig van de vorige eeuw), maar het was vooral door de waarneming van de vlakke rotatiecurves van sterrenstelsels door Vera Rubin in de jaren zeventig van de vorige eeuw dat de theorie van de donkere materie vaste grond kreeg (zie de afbeelding hieronder).

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

Naast die vlakke rotatiecurves kwamen er nog meer indirecte observationele bewijzen voor het bestaan van donkere materie, het mysterieuze spul dat 85% van alle materie in het heelal zou vormen: zwaartekrachtlenzen, de Bullet cluster én de pieken in het ‘Power spectrum’ van de kosmische microgolf-achtergrondstraling. Alleen één ding ontbreekt nog, de ‘smoking gun’ van donkere materie, de directe waarneming ervan. Ondanks tientallen experimenten over de hele wereld is nog geen gram direct waargenomen van donkere materie. Vandaar dat alternatieven voor de donkere materie de kop op blijven steken, sinds de jaren zeventig de MOND (Modified Newtonian Dynamics) en recent nog de RelMOND theorie, die het alemaal zoeken in een alternatieve zwaartekrachtwet. En nu komt er een nieuw alternatief uit onverwachte hoek aanwaaien: Alexandre Deur (University of Virginia) komt namelijk in dit vakartikel aanzetten met de suggestie dat het helemaal niet nodig is om de waarnemingen zoals de vlakke rotatiecurves te verklaren met het bestaan van donkere materie of alternatieve zwaartekrachttheorieën. Met dé vigerende zwaartekrachttheorie, de uit 1915 stammende Algemene Relativiteitstheorie (ART) van Albert Einstein, lukt dat namelijk ook.

Gravitatieveldlijnen (3D en geprojecteerd) voor een schijf van de melkweg. De linkerpanelen tonen de veldlijnen zonder rekening te houden met veld-zelfinteractie. De rechterpanelen tonen de veldlijnen met zelfinteractie. Het is duidelijk dat de veldlijnen worden vervormd door het effect van zelfinteractie. Een dergelijk verschil tussen de Algemene Relativiteitstheorie en de zwaartekracht van Newton is duidelijker bij een grotere straal. Credit: Alexandre Deur.

Deur zegt dat als rekening wordt gehouden met het effect van de zogeheten field self-interaction dat dan de waarnemingen verklaard kunnen worden. Zwaartekracht is in de ART non-lineair en dat betekent volgens Deur dat die zelf-interactie van het zwaartekrachtveld niet verwaarloosd mag worden. De vlakke rotatiecurven ontstaan allemaal bij lage snelheden, dus relativistische effecten, die je bij de lichtsnelheid verwacht, zijn niet aan de orde. Deur rekent in z’n artikel uit dat door de zelf-interactie van het zwaartekrachtsveld de zwaartekracht sterker wordt dan in de Newtoniaanse zwaartekracht geldt, die bij lagere snelheden optreedt. Op grond van de zelf-interactie van de zwaartekracht in de ART komt Deur met deze grafiek van de rotatiecurve van een sterrenstelsel (de rode lijn is zijn berekening):

Credit: Alexandre Deur.

Mmmmm, de zelf-interactie van zwaartekracht als alternatief voor donkere materie of (Rel-)MOND. Je zou toch denken dat zo’n simpele suggestie eerder al zou zijn gedaan? Hebben we zitten slapen of is er toch één of andere denkfout in de theorie van Deur? We gaan ’t zien. Bron: Astrobites.

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).

Centrum van ‘Red Nugget-afstammeling’ Markarian 1216 blijkt bomvol donkere materie te zitten

Links de röntgenstraling, rechts de visuele straling van Markarian 1216, in beeld gebracht door Chandra en hubble. Credits: X-ray: NASA/CXC/Univ. of CA Irvine/D. Buote; Optical: NASA/STScI

Twee sterrenkundigen van de Universiteit van Irvine, David A. Buote en Aaron J. Barth, hebben met behulp van NASA’s röntgen-ruimtetelescoop een elliptisch sterrenstelsel ontdekt dat in z’n centrum bomvol met donkere materie zit. Het is het stelsel genaamd Markarian 1216 (afgekort Mrk 1216), dat geen deel uitmaakt van een cluster, maar dat een vrij geïsoleerde evolutie heeft meegemaakt, gelegen in het sterrenbeeld Waterslang (Hydra). Op grond van de met Chandra waargenomen röntgenstraling afkomstig van Mrk 1216 konden Buote en Barth een kaart maken van de verdeling van de temperatuur en materie van het stelsel en daaruit kwam naar voren dat er in z’n centrum veel meer donkere materie zit dan in ‘gewone’ elliptische sterrenstelsels. Donkere materie zelf is weliswaar niet zichtbaar, maar de invloed door z’n zwaartekracht is wel merkbaar en dankzij die invloed konden de twee Irvine-onderzoekers de hoeveelheid donkere materie vaststellen. Buote en Barth denken dat Mrk 1216 z’n leven al meer dan tien miljard jaar geleden begon als een zogeheten ‘red nugget‘,  dat zijn kleine, roodgekleurde en zeer compacte sterrenstelsels, de overblijfselen van de eerste massieve sterrenstelsels die gevormd zijn binnen één miljard jaar na de oerknal.

De meeste van die red nuggets zijn uitgegroeid tot grote, massieve elliptische sterrenstelsels, vooral door het aantrekken van kleine stelsels in de buurt, door die op te peuzelen. Maar niet Mrk 1216, die bleef geïsoleerd en stopte op een gegeven moment zelfs met groeien. Door de hoge concentratie van donkere materie in het centrum van Mrk 1216 was er ook een hogere dichtheid aan gewone sterren en dat is al die tijd in de evolutie van Mrk 1216 zo gebleven, tot aan de dag van vandaag. Buote en Barth hebben de verdeling van gewone en donkere materie in Mrk 1216 ook gebruikt om twee theorieën te testen van zwaartekracht, de klassieke Newtoniaanse zwaartekracht en de modified Newtonian dynamics (MOND), de theorie die zegt dat Newton’s wet niet klopt en dat donkere materie niet nodig is. Uit de waarnemingen blijkt dat er wel degelijk donkere materie nodig is om de waarnemingen aan Mrk 1216 te verklaren en dat MOND niet volstaat. Hier het vakartikel van de twee onderzoekers, op 1 juni verschenen in The Astrophysical Journal. Bron: Chandra.

De universele versnellingsfactor van donkere materie-alternatief MOND lijkt niet te bestaan

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

Onder andere op grond van de galactische rotatiecurves (zie de afbeelding hierboven als voorbeeld) denken sterrenkundigen al heel lang dat er meer materie moet zijn dan we met telescopen en andere instrumenten kunnen zien. Van alle materie in het heelal zou pakweg 85% bestaan uit onzichtbare, donkere materie, de rest is gewone materie (waaruit sterren en planeten, nevels, kometen, planetoïden en wij bestaan). Er zijn meer redenen waarom donkere materie zou bestaan, maar die galactische rotatiecurves, waarvoor Vera Rubin in het begin van de jaren zeventig baanbrekend werk heeft verricht, is wel een echte pijler. Maar ja, wat nou als die galactische rotatiecurves niet verklaard worden door donkere materie, maar door iets anders? Kloppen de zwaartekrachtswetten van Newton wel, op grond waarvan die theoretische curves berekend worden? Enter MOND, de Modified Newtonian dynamics die in 1982 voor het eerst werd voorgesteld door Mordehai Milgrom.

Credit: Davi C. Rodrigues et al (Federal University of Espírito Santo)

Het model van donkere materie zegt dat de verhoogde snelheid van materie in de buitenste delen van sterrenstelsels – waar volgens Newton’s wetten een afname van de snelheid te zien zou moeten zijn – komt door de aanwezigheid van een halo van donkere materie. Nee zegt MOND, die verhoogde snelheid komt niet door donkere materie, maar doordat de wetten van Newton onvolledig zijn. Wat er mist is een universele versnellingsfactor, een fundamentele factor die ao wordt genoemd en die voor een extra versnelling van materie in de buitenste delen van sterrenstelsels zou zorgen. Met die factor zouden de galactische rotatiecurves verklaard kunnen worden zónder donkere materie nodig te hebben. Maar dan is de volgende vraag natuurlijk: is er wel zo’n universele versnellingsfactor? Enter Davi C. Rodrigues en z’n team (Federal University of Espírito Santo in Brazilië). Zij onderzochten 193 rotatiecurves van sterrenstelsels om te kijken of zo’n universele versnellingsfactor bestaat. Daarvoor berekenden ze eerst de theoretische rotatiecurves op grond van de klassieke Newtoniaanse wetten van die 193 sterrenstelsels en daarna vergeleken ze die met de waargenomen curves. Het verschil tussen die twee zou de universele versnellingsfactor ao moeten zijn. Maar wat kwam er uit het onderzoek naar voren: dat er niet één universele versnellingsfactor is, maar dat alle stelsels een eigen factor hebben (zie de grafiek hierboven). Die factor zou verband houden met de eigenschappen van het sterrenstelsel zelf, een universele factor is er niet. Ergo: dé pijler onder MOND is weggevallen, het alternatief voor donkere materie lijkt een gevoelige klap te hebben gehad. OK, de MOND-aanhangers geven zich niet over, want ze zeggen dat Rodrigues et al geen rekening hebben gehouden met de inclinatie, de hoek waarop we het vlak van de spiraalstelsels zien. Wordt vast en zeker vervolgd. Hier voor de liefhebbers het artikel over de waarneming aan de 193 sterrenstelsels, verschenen in Nature. Bron: Astrobites.

Zwaartekrachtgolf GW170817 betekent einde voor sommige theorieën van gemodificeerde zwaartekracht

Credit: NASA/ESA/Ligo/Virgo

De waarneming van zwaartekrachtgolf GW170817 door LIGO en de daaropvolgende waarneming van de elektromagnetische straling van de bron ervan – twee botsende en samensmeltende neutronensterren in NGC 4993 – heeft het einde betekent van enkele theorieën van gemodificeerde zwaartekracht. Op 17 augustus 2017 werd om 14:39:45 UTC door de twee LIGO detectoren in Hanford en Livingston een signaal gedetecteerd, dat maar liefst 100 seconden duurde en dat om 14:41:04 uur een maximum bereikt. Precies 1,7 seconden na dat maximum, om 14:41:06 uur om precies te zijn, werd door twee satellieten een uitbarsting van gammastraling waargenomen, door NASA’s Fermi Space Telescope (bij 50-300 keV – duur 256 ms) en tegelijk door de ESA INTEGRAL space telescope (bij 100-1000 keV – duur 100 ms). Later volgden waarnemingen van neutrino’s van GW170817 (eigenlijk van sGRB 170817A, de bijbehorende gammaflits) door IceCube op de Zuidpool (zes neutrino’s om 16:05:11) en Antares in de Middellandse Zee, en van straling in andere delen van het elektromagnetische spectrum door een hele batterij aan instrumenten, o.a. Hubble en Chandra. Met name het korte tijdsverschil tussen de aankomst van de zwaartekrachtgolven en de hoogenergetische gammastraling, die na een reis van 130 miljoen jaar binnen twee seconden bij de aarde arriveerden, heeft heel wat natuurkundigen afgelopen week bezig gehouden. In een aantal verschenen vakartikelen (zie het rijtje hieronder) wordt aangegeven dat deze waarneming ernstige consequenties heeft voor sommige theorieën die uitgaan van een andere zwaartekracht dan geformuleerd in de wetten van Newton en Einstein, de theorieën van de gemodificeerde zwaartekracht (‘modified gravity’) – theorieën die er van uit gaan dat donkere materie niet bestaat.

Sommige van die theorieën, zoals Bekenstein’s TeVeS, Milgrom’s MOND en Moffat’s Scalar-Vector-Tensor theorie, gaan er namelijk van uit dat de zwaartekracht zich niet met de lichtsnelheid voortplant. Maar dat blijkt het dus wel te doen. Het verschil tussen de snelheid van zwaartekrachtgolven (hieronder vGW en de lichtsnelheid c is:

Eén van die artikelen is ‘GW170817 Falsifies Dark Matter Emulators’ van Sibel Boran, Shantanu Desai, Emre Kahya en Richard Woodard. Zij hebben op basis van de waarneming van GW170817 de zogeheten Shapiro time delay berekend, genoemd naar de sterrenkundige Irwin Shapiro. Die kwam in 1964 op basis van radarwaarnemingen met de stelling dat elektromagnetische straling vertraagd als het door een zwaartekrachtsveld beweegt. Radargolven die bijvoorbeeld langs de zon vliegen zouden door diens zwaartekrachtsveld 2 x 10^-4 seconden vertragen, een meetbaar effect, want met de lichtsnelheid betekent zo’n vertraging 60 km. De genoemde theorieën van gemodificeerde zwaartekracht gaan er van uit dat het Shapiro effect voor zwaartekrachtgolven veel kleiner is dan voor neutrino’s en fotonen. De vertraging van de neutrino’s en fotonen voor GW170817 zou volgens die theorieën maar liefst 1000 dagen moeten duren. Het was slechts 1,7 seconden voor de gamma-fotonen. Op basis hiervan stellen de auteurs dat die theorieën van gemodificeerde zwaartekracht de prullenbak in kunnen.

Bron: Backreaction + Francis Naukas.

Emergente zwaartekracht blijkt niet te werken op de schaal van het zonnestelsel

Credit afbeelding: Discover Magazine

Emergente zwaartekracht, de zwaartekracht volgens de theorie van Erik Verlinde, volgens welke donkere materie niet bestaat, blijkt volgens recent onderzoek van een drietal sterrenkundigen niet te werken op de schaal van het zonnestelsel. Aurelien Hees, Benoit Famaey en Gianfranco Bertone keken naar de periheliums van de planeten in het zonnestelsel, de punten in hun elliptische baan die het dichtste bij de zon liggen – hier hun vakartikel. Zwaartekrachtswetten zoals die van Newton en Verlinde zeggen iets over dat perihelium, dat afhankelijk is van de wisselwerking tussen de twee betrokken massa’s, die van de zon en de desbetreffende planeet. Verlinde’s theorie is een variant op de Modified Newtonian Dynamics (MOND) en hij werkt het beste in sferische symmetrieën. Nu blijkt dat de formules van Verlinde waarden voor de periheliums opleveren die maar liefst zeven ordes van grootte naast de werkelijke waarde zitten. Newton levert de juiste waarden op. Inmiddels heeft de publicatie van Hees c.s. op Twitter heel wat reacties opgeleverd, waar ook Verlinde zelf z’n steentje aan heeft bijgedragen – hieronder enkele tweets.

Bron: In the Dark.

Verlinde’s theorie van de zwaartekracht biedt alternatief voor donkere materie

Illustratie credit: http://www.physics.uq.edu.au/colloquium/wp-content/uploads/padmanabhan_web.jpg

Een nieuwe theorie van de zwaartekracht biedt mogelijk een alternatief voor donkere materie. Dat blijkt uit vandaag gepubliceerd onderzoek van hoogleraar Erik Verlinde (Universiteit van Amsterdam, Spinozaprijs 2011), vermaard theoretisch natuurkundige en expert op het gebied van de snaartheorie.

Emergent Gravity and the Dark Universe, E. P. Verlinde, 2016 Nov 8
https://arxiv.org/abs/1611.02269

In 2010 verraste Erik Verlinde de wereld met een compleet nieuwe kijk op de zwaartekracht. In zijn beschrijving is de zwaartekracht geen fundamentele kracht, maar een verschijnsel dat tevoorschijn komt uit een onderliggende theorie. Vergelijk het met het begrip temperatuur, dat geen op zichzelf staand verschijnsel is, maar voortkomt uit de bewegingen van grote hoeveelheden microscopische deeltjes, zoals atomen of moleculen.

Informatie als bouwsteen

De bouwstenen waar Verlindes theorie uit is opgebouwd zijn fundamentele brokjes informatie, opgeslagen in de structuur van ruimtetijd. Die informatiebrokjes zou je kunnen vergelijken met bits, de informatie-eenheden van een computer. En zoals temperatuur voortkomt uit de bewegingen van microscopische deeltjes, zo komt de zwaartekracht tevoorschijn uit de onderliggende veranderingen van de fundamentele informatie-bits. De veranderingen van de microscopische informatiebrokjes nemen wij waar als de kracht die appels uit bomen doet vallen en satellieten in hun baan om de aarde houdt.

Donkere materie als superlijm

Verlinde had in 2010 al laten zien dat de beroemde tweede wet van Newton (F=m ? a: kracht is massa maal versnelling) afgeleid kan worden uit deze principes. Voortbouwend op zijn theorie geeft hij nu een mogelijk alternatief voor donkere materie. Volgens de gangbare opvattingen dient deze donkere materie als ‘superlijm’ om sterrenstelsels en ook clusters van sterrenstelsels bij elkaar te houden. De snelheden waarmee sterren in de buitengebieden van sterrenstelsels bewegen zijn namelijk veel hoger dan je op grond van de zichtbare massa in zo’n sterrenstelsel zou verwachten.

Om voldoende aantrekkende zwaartekracht te genereren, is er maar liefst vijf keer meer donkere materie nodig dan er gewone, zichtbare materie is. Het is voor natuurkundigen en astronomen echter nog een raadsel waar die donkere materie uit bestaat.

Aansluiting bij waarnemingen

Volgens Verlinde is die extra donkere materie helemaal niet nodig. In zijn nieuwe publicatie, die vandaag online verschijnt, laat hij zien hoe de afwijkende bewegingen van sterren in ons eigen Melkwegstelsel en in andere melkwegstelsels (zie afbeelding hieronder) naadloos uit zijn berekeningen volgen. Verlinde laat daarmee voor het eerst zien dat zijn theorie aansluit bij de waarnemingen van astronomen.

Draaisnelheden van sterren in een sterrenstelsel. Volgens Newtons zwaartekrachtswetten zouden sterren in de buitengebieden van sterrenstelsels langzamer moeten gaan bewegen naarmate de afstand tot de kern groter wordt. (Gestippelde lijn.) In de praktijk wordt echter waargenomen dat de snelheid gelijk blijft of, zoals in dit geval, zelfs toeneemt. (Doorgetrokken lijn.) Afbeelding: Stefania Deluca.

Op het eerste gezicht vertoont Verlindes theorie gelijkenissen met andere aanpassingen van de zwaartekracht zoals MOND (Modified Newtonian Dynamics). Door subtiele aanpassingen van de zwaartekracht in sterrenstelsels lukte het Mordehai Milgrom in 1983 om, zónder donkere materie, het merkwaardige gedrag van sterrenstelsels te verklaren. Verlindes nieuwe theorie is echter geen aanpassing van een bestaande theorie, zoals MOND dat is, maar een theorie die uitgaat van volledig nieuwe basisprincipes.

Uitbreiding holografisch principe

Verlinde geeft met zijn theorie een uitbreiding aan het holografisch principe, begin jaren negentig ontwikkeld door zijn leermeester Gerard ’t Hooft (Nobelprijs 1999). Volgens dat principe is alle informatie die het heelal bevat te beschrijven op een denkbeeldige schil rondom het universum. Verlinde laat nu zien dat dit principe in ons eigen heelal een correctie behoeft: niet álle informatie is op deze schil af te beelden. Een deel van de informatie, het deel dat de zogeheten donkere energie in ons heelal beschrijft, blijft daadwerkelijk over de hele ruimte verspreid. Verlinde toont in zijn artikel aan dat deze extra informatie een meetbaar effect heeft op de materie in het heelal – het effect dat tot nu toe werd toegeschreven aan de donkere materie.

Wetenschappelijke revolutie

‘Onze gangbare ideeën over ruimte, tijd en de zwaartekracht moeten hoognodig op de schop,’ zegt Verlinde. ‘We weten al heel lang dat Einsteins theorie van de zwaartekracht niet door één deur kan met de quantummechanica. Veel natuurkundigen zoals ik werken aan een herziening van de theorie. Onze inzichten zijn drastisch aan het veranderen, en ik denk dat we ons aan de vooravond van een wetenschappelijke revolutie bevinden.’ Bron: UvA + Quantum Universe.