Wetenschappers zijn al bijna een eeuw op zoek naar "donkere materie" - een onbekende en onzichtbare substantie waarvan men denkt dat het de overgrote meerderheid van de materie in het universum vormt. De reden voor deze hardnekkigheid is dat donkere materie nodig is om te verklaren dat sterrenstelsels de fundamentele wetten van de fysica niet lijken te gehoorzamen. Echter, Het zoeken naar donkere materie is nog steeds niet succesvol.

Maar er zijn andere benaderingen om te begrijpen waarom sterrenstelsels zich zo vreemd gedragen. Onze nieuwe studie, gepubliceerd in de Tijdschrift voor Kosmologie en Astrodeeltjesfysica , laat zien dat, door de wetten van de zwaartekracht op de enorme schalen van sterrenstelsels aan te passen, we hebben misschien toch helemaal geen donkere materie nodig.

De Zwitserse astronoom Fritz Zwicky ontdekte in de jaren dertig dat de snelheden in clusters van sterrenstelsels te hoog waren om te verklaren hoeveel materie we konden zien. Een soortgelijk fenomeen werd beschreven door verschillende groepen astronomen, zoals Vera Rubin en Kent Ford, toen ze de beweging van sterren aan de verre randen van de Andromedanevel bestudeerden.

Verwacht werd dat de snelheden van de sterren ver van het centrum zouden afnemen, omdat ze minder zwaartekracht ervaren. Dat is omdat, volgens de tweede bewegingswet van Newton, de zwaartekracht op materie in een baan om de aarde kan worden gelijkgesteld aan een product van zijn massa en versnelling (die gerelateerd is aan snelheid).

Echter, de metingen toonden aan dat er geen dergelijke afname van snelheden was met de afstand. Dat bracht wetenschappers ertoe te geloven dat daar onzichtbare materie moet zijn om een ​​sterkere zwaartekracht en snellere stellaire beweging te creëren. In de afgelopen decennia is talloze andere sondes van zwaartekrachtsystemen op zeer grote lengteschalen wezen op hetzelfde probleem.

Voorbij donkere materie

Het mysterie van wat donkere materie eigenlijk is, blijft de ultieme uitdaging van de moderne fundamentele fysica. De kernvraag is of het inderdaad een ontbrekende massabron is, zoals een nieuw soort materie, of dat de zwaartekrachtswet gewoon anders is op gigantische lengteschalen.

Hoewel de eerste optie erg verleidelijk lijkt, we hebben eigenlijk nog geen donkere materie gevonden. Ook, terwijl zwaartekrachtwetten goed getest zijn in het zonnestelsel, men moet voorzichtig zijn om dit te extrapoleren naar schalen die minstens een miljard keer groter zijn.

Een bekende poging om van de behoefte aan donkere materie af te komen is Modified Newtonian Dynamics (MOND), wat suggereert dat de zwaartekrachtswet van Newton onregelmatig wordt wanneer de aantrekkingskracht erg zwak is - zoals het geval is in de buitenste regionen van de melkweg. Maar deze theorie, hoewel succesvol in vele opzichten, heeft niet dezelfde strenge tests doorstaan ​​als ons standaardmodel van kosmologie, waaronder donkere materie.

Het grootste probleem is dat MOND het probleem van de ontbrekende massa in sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels niet tegelijkertijd kan verklaren. Een ander zeer sterk argument tegen MOND is gebaseerd op de observatie van botsende clusters van sterrenstelsels, waar de sterren van elk sterrenstelsel door elkaar heen gaan, maar de gaswolken plakken aan elkaar en blijven achter. Een bekend voorbeeld is de Bullet Cluster, die uit twee van dergelijke botsende clusters bestaat. Waarnemingen suggereren dat donkere materie de sterren volgt bij deze gebeurtenissen, die een lagere totale massa hebben dan de gaswolk. MOND kan niet uitleggen waarom dat zo is.

Ruimte bubbels

We wilden de wetten van de zwaartekracht op een andere manier aanpassen. Onze aanpak ging ervan uit dat er een fenomeen aan het werk is dat bekend staat als Vainshtein-screening. Dit suggereert dat elke voldoende dichte, compact object in de ruimte genereert een onzichtbare bol eromheen die bepaalt hoe de wetten van de fysica zich gedragen met toenemende afstand. Deze bol is een theoretisch concept om ons te helpen het verschil tussen kleine en grote schalen te begrijpen, in plaats van een echt fysiek membraan.

Volgens onze theorie is binnen deze bel gelden de wetten van de gewone Newtoniaanse zwaartekracht die we in ons zonnestelsel zien voor objecten die in wisselwerking staan ​​met het massieve lichaam in het centrum. Buiten de bubbel, de theorie suggereert dat de zwaartekracht van het centrale object aanzienlijk kan worden vergroot - ook al is er niet meer massa aanwezig.

De belgrootte zou evenredig zijn met de massa van het centrale object. Indien, bijvoorbeeld, in een melkwegstelsel heeft deze bol een straal van een paar duizend lichtjaren – een typische afstand waarop tekenen van donkere materie worden waargenomen – de overeenkomstige bol van onze zon zou een straal hebben van 50.000 astronomische eenheden (een zo’n eenheid is de afstand tussen de zon en aarde). Echter, de rand van het zonnestelsel is slechts 50 astronomische eenheden verwijderd. Met andere woorden, er zijn geen objecten die we zo ver van de zon kunnen waarnemen om te testen of de zon een andere aantrekkingskracht op hen heeft dan op aarde. Alleen de observatie van hele systemen heel ver weg stelt ons in staat om dat te doen.

Het verrassende effect is dat de grootte van de Newtoniaanse bel op een bepaalde manier meegroeit met de ingesloten massa. Dit betekent dat de wet van de zwaartekracht verandert op verschillende lengteschalen in respectievelijk sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels en daarom de schijnbare donkere materie in beide systemen tegelijkertijd kan verklaren. Dat kan niet bij MOND. Verder, het is consistent met de waarneming van de Bullet Cluster. Dat komt omdat de gaswolken die bij de botsing zijn achtergebleven, niet compact genoeg zijn om er een bol omheen te vormen - wat betekent dat de schijnbare donkere materie alleen merkbaar is rond de compactere sterren. MOND maakt geen onderscheid tussen sterren en gaswolken.

Tot onze grote verbazing, onze theorie stelde ons in staat om de stellaire snelheden in sterrenstelsels veel beter te verklaren dan met de algemene relativiteitstheorie van Einstein, waardoor donkere materie kan bestaan. Dus er is misschien minder mysterieuze donkere materie dan we denken - en misschien zelfs helemaal geen.

We zijn van plan dit interessante fenomeen verder te onderzoeken. Het kan ook verantwoordelijk zijn voor de hoge variabiliteit van galactische beweging, waarvoor we steeds meer bewijzen verzamelen.

Elk massief lichaam vervormt de ruimte en tijd eromheen, volgens de algemene relativiteitstheorie. Als resultaat, lichtstralen nemen een schijnbare draai rond het object in plaats van in een rechte lijn te reizen - een effect dat zwaartekrachtlens wordt genoemd. Een buitengewoon interessante test van onze bevinding zou de waarneming zijn van nauwkeurige zwaartekrachtafbuiging door individuele sterrenstelsels, wat weliswaar een moeilijke meting is. Onze theorie voorspelt een sterkere lichtafbuiging voor zeer compacte sterrenstelsels, dus opwindend, het zou ooit door zo'n meting kunnen worden vervalst of bevestigd.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.