Al vele jaren, astronomen en natuurkundigen hebben een conflict gehad. Is de mysterieuze donkere materie die we diep in het heelal waarnemen echt, of is wat we zien het resultaat van subtiele afwijkingen van de wetten van de zwaartekracht zoals we die kennen? in 2016, De Nederlandse natuurkundige Erik Verlinde stelde een theorie van de tweede soort voor:opkomende zwaartekracht. Nieuw onderzoek, gepubliceerd in Astronomie en astrofysica deze week, verlegt de grenzen van waarnemingen van donkere materie naar de onbekende buitenste regionen van sterrenstelsels, en her-evalueert daarbij verschillende modellen van donkere materie en alternatieve zwaartekrachttheorieën. Metingen van de zwaartekracht van 259, 000 geïsoleerde sterrenstelsels vertonen een zeer nauw verband tussen de bijdragen van donkere materie en die van gewone materie, zoals voorspeld in Verlinde's theorie van opkomende zwaartekracht en een alternatief model genaamd Modified Newtonian Dynamics. Echter, de resultaten lijken ook overeen te komen met een computersimulatie van het heelal die ervan uitgaat dat donkere materie 'echt spul' is.

Het nieuwe onderzoek is uitgevoerd door een internationaal team van astronomen, onder leiding van Margot Brouwer (RUG en UvA). Verdere belangrijke rollen werden gespeeld door Kyle Oman (RUG en Durham University) en Edwin Valentijn (RUG). in 2016, Brouwer deed ook een eerste test van Verlinde's ideeën; deze keer, Verlinde zelf kwam ook bij het onderzoeksteam.

Materie of zwaartekracht?

Tot dusver, donkere materie is nooit rechtstreeks waargenomen, vandaar de naam. Wat astronomen aan de nachtelijke hemel waarnemen, zijn de gevolgen van potentieel aanwezige materie:afbuiging van sterrenlicht, sterren die sneller bewegen dan verwacht, en zelfs effecten op de beweging van hele sterrenstelsels. Zonder twijfel worden al deze effecten veroorzaakt door de zwaartekracht, maar de vraag is:nemen we echt extra zwaartekracht waar, veroorzaakt door onzichtbare materie, of zijn de wetten van de zwaartekracht zelf iets dat we nog niet helemaal begrepen hebben?

Om deze vraag te beantwoorden, het nieuwe onderzoek gebruikt een vergelijkbare methode als bij de oorspronkelijke test in 2016. Brouwer en haar collega's maken gebruik van een doorlopende reeks fotografische metingen die tien jaar geleden begon:de KiloDegree Survey (KiDS), uitgevoerd met behulp van ESO's VLT Survey Telescope in Chili. In deze waarnemingen meet men hoe sterrenlicht van verre sterrenstelsels door de zwaartekracht wordt afgebogen op weg naar onze telescopen. Terwijl in 2016 de metingen van dergelijke 'lenseffecten' slechts een gebied van ongeveer 180 vierkante graden aan de nachtelijke hemel besloegen, intussen is dit uitgebreid tot ongeveer 1000 vierkante graden, waardoor de onderzoekers de verdeling van de zwaartekracht in ongeveer een miljoen verschillende sterrenstelsels kunnen meten.

Vergelijkende testen

Brouwer en haar collega's selecteerden ruim 259, 000 geïsoleerde sterrenstelsels, waarvoor ze de zogenaamde 'Radial Acceleration Relation' (RAR) konden meten. Deze RAR vergelijkt de verwachte hoeveelheid zwaartekracht op basis van de zichtbare materie in de melkweg, aan de hoeveelheid zwaartekracht die daadwerkelijk aanwezig is, met andere woorden:het resultaat laat zien hoeveel 'extra' zwaartekracht er is, in aanvulling op dat als gevolg van normale materie. Tot nu, de hoeveelheid extra zwaartekracht was alleen bepaald in de buitenste regionen van sterrenstelsels door de bewegingen van sterren te observeren, en in een gebied dat ongeveer vijf keer groter is door de rotatiesnelheid van koud gas te meten. Door gebruik te maken van de lenseffecten van de zwaartekracht, de onderzoekers waren nu in staat om de RAR te bepalen bij zwaartekrachten die honderd keer kleiner waren, waardoor ze veel dieper kunnen doordringen in de gebieden ver buiten de afzonderlijke sterrenstelsels.

Dit maakte het mogelijk om de extra zwaartekracht uiterst nauwkeurig te meten - maar is deze zwaartekracht het resultaat van onzichtbare donkere materie, of moeten we ons begrip van de zwaartekracht zelf verbeteren? Auteur Kyle Oman geeft aan dat de aanname van 'real stuff' in ieder geval gedeeltelijk lijkt te werken:"In ons onderzoek, we vergelijken de metingen met vier verschillende theoretische modellen:twee die uitgaan van het bestaan ​​van donkere materie en de basis vormen van computersimulaties van ons universum, en twee die de wetten van de zwaartekracht wijzigen - Erik Verlinde's model van opkomende zwaartekracht en de zogenaamde 'Modified Newtonian Dynamics' of MOND. Een van de twee donkere materie-simulaties, MIJZEN, maakt voorspellingen die heel mooi overeenkomen met onze metingen. Het kwam als een verrassing voor ons dat de andere simulatie, BAHAMAS, leidde tot zeer verschillende voorspellingen. Dat de voorspellingen van de twee modellen überhaupt verschilden was al verrassend, omdat de modellen zo op elkaar lijken. Maar bovendien, we hadden verwacht dat als er een verschil zou optreden, BAHAMAS zou het beste presteren. BAHAMAS is een veel gedetailleerder model dan MICE, benadering van ons huidige begrip van hoe sterrenstelsels zich vormen in een universum met donkere materie veel dichterbij. Nog altijd, MICE presteert beter als we de voorspellingen vergelijken met onze metingen. In de toekomst, op basis van onze bevindingen, we willen verder onderzoeken wat de verschillen tussen de simulaties veroorzaakt."

Jonge en oude sterrenstelsels

Zo lijkt het, tenminste één model van donkere materie lijkt te werken. Echter, de alternatieve zwaartekrachtmodellen voorspellen ook de gemeten RAR. een impasse, het lijkt - dus hoe komen we erachter welk model correct is? Margot Brouwer, die het onderzoeksteam leidde, vervolgt:"Op basis van onze tests, onze oorspronkelijke conclusie was dat de twee alternatieve zwaartekrachtmodellen en MICE redelijk goed overeenkwamen met de waarnemingen. Echter, het meest opwindende deel moest nog komen:omdat we toegang hadden tot meer dan 259, 000 sterrenstelsels, we zouden ze in verschillende soorten kunnen verdelen - relatief jong, blauwe spiraalstelsels versus relatief oude, rode elliptische sterrenstelsels." Die twee soorten sterrenstelsels ontstaan ​​op heel verschillende manieren:rode elliptische sterrenstelsels ontstaan ​​wanneer verschillende sterrenstelsels op elkaar inwerken, bijvoorbeeld wanneer twee blauwe spiraalstelsels dicht langs elkaar passeren, of zelfs botsen. Als resultaat, de verwachting binnen de deeltjestheorie van donkere materie is dat de verhouding tussen reguliere en donkere materie in de verschillende soorten sterrenstelsels kan variëren. Modellen zoals de theorie van Verlinde en MOND maken daarentegen geen gebruik van donkere materiedeeltjes, en voorspel daarom een ​​vaste verhouding tussen de verwachte en gemeten zwaartekracht in de twee soorten sterrenstelsels - dat wil zeggen, onafhankelijk van hun type. Brouwer:"We ontdekten dat de RAR's voor de twee soorten sterrenstelsels significant verschilden. Dat zou een sterke aanwijzing zijn voor het bestaan ​​van donkere materie als deeltje."

Echter, er is een waarschuwing:gas. Veel sterrenstelsels zijn waarschijnlijk omgeven door een diffuse wolk van heet gas, wat heel moeilijk te observeren is. Als het zo zou zijn dat er nauwelijks gas is rond jonge blauwe spiraalstelsels, maar dat oude rode elliptische sterrenstelsels in een grote gaswolk leven - van ongeveer dezelfde massa als de sterren zelf - dan zou dat het verschil in de RAR tussen de twee typen kunnen verklaren. Om tot een definitief oordeel te komen over het gemeten verschil, je zou dus ook de hoeveelheden diffuus gas moeten meten - en dat is precies wat niet mogelijk is met de KiDS-telescopen. Andere metingen zijn gedaan voor een kleine groep van ongeveer honderd sterrenstelsels, en deze metingen vonden inderdaad meer gas rond elliptische sterrenstelsels, maar het is nog onduidelijk hoe representatief die metingen zijn voor de 259, 000 sterrenstelsels die in het huidige onderzoek zijn bestudeerd.

Donkere materie voor de overwinning?

Als blijkt dat extra gas het verschil tussen de twee soorten sterrenstelsels niet kan verklaren, dan zijn de resultaten van de metingen gemakkelijker te begrijpen in termen van donkere materiedeeltjes dan in termen van alternatieve zwaartekrachtmodellen. Maar zelfs dan, de zaak is nog niet geregeld. Hoewel de gemeten verschillen moeilijk te verklaren zijn met MOND, Erik Verlinde ziet nog wel een uitweg voor zijn eigen model. Verlinde:"Mijn huidige model is alleen van toepassing op statische, geïsoleerd, bolvormige sterrenstelsels, dus kan niet worden verwacht dat de verschillende soorten sterrenstelsels worden onderscheiden. Ik zie deze resultaten als een uitdaging en inspiratie om een ​​asymmetrische, dynamische versie van mijn theorie, waarin sterrenstelsels met een andere vorm en geschiedenis een andere hoeveelheid 'schijnbare donkere materie' kunnen hebben."

Daarom, zelfs na de nieuwe metingen, het geschil tussen donkere materie en alternatieve zwaartekrachttheorieën is nog niet beslecht. Nog altijd, de nieuwe resultaten zijn een grote stap voorwaarts:als het gemeten verschil in zwaartekracht tussen de twee soorten sterrenstelsels correct is, dan het ultieme model, welke dat ook is, zal nauwkeurig genoeg moeten zijn om dit verschil te verklaren. Dit betekent met name dat veel bestaande modellen kunnen worden weggegooid, waardoor het landschap van mogelijke verklaringen aanzienlijk wordt uitgedund. Daarbovenop, het nieuwe onderzoek toont aan dat systematische metingen van het hete gas rond sterrenstelsels noodzakelijk zijn. Edwin Valentijn formuleert het als volgt:"Als observerende astronomen, we hebben het punt bereikt waarop we de extra zwaartekracht rond sterrenstelsels nauwkeuriger kunnen meten dan we de hoeveelheid zichtbare materie kunnen meten. De contra-intuïtieve conclusie is dat we eerst de aanwezigheid van gewone materie in de vorm van heet gas rond sterrenstelsels moeten meten, voordat toekomstige telescopen zoals Euclid eindelijk het mysterie van donkere materie kunnen oplossen."