De rotatie van sterren in sterrenstelsels zoals de Melkweg is raadselachtig. De baansnelheden van sterren zouden moeten afnemen met hun afstand tot het centrum van de melkweg, maar eigenlijk, sterren in de middelste en buitenste regionen van sterrenstelsels hebben dezelfde rotatiesnelheid. Dit kan te wijten zijn aan het zwaartekrachteffect van materie die we niet kunnen zien. Maar hoewel onderzoekers er al tientallen jaren naar zoeken, het bestaan ​​van donkere materie moet nog definitief worden bewezen en we weten nog steeds niet waar het van gemaakt kan zijn. Met dit in gedachten, de natuurkundigen Dmitri Ryutov, Dmitry Budker en Victor Flambaum hebben gesuggereerd dat de rotatiedynamiek van sterrenstelsels door andere factoren kan worden verklaard. Ze veronderstellen dat de massa van fotonen, die lichtdeeltjes zijn, verantwoordelijk zou kunnen zijn.

Professor Dmitri Ryutov, die onlangs met pensioen ging van het Lawrence Livermore National Laboratory in Californië, ONS., is een expert in plasmafysica. Hij werd bekroond met de American Physical Society's (APS) 2017 Maxwell Prize for Plasma Physics voor zijn prestaties in het veld. Natuurkundigen crediteren Ryutov over het algemeen met het vaststellen van de bovengrens voor de massa van het foton. Omdat deze massa extreem klein is, zelfs als het niet nul is, het wordt meestal genegeerd bij het analyseren van atomaire en nucleaire processen. Maar zelfs een verdwijnend kleine massa zou kunnen, volgens het samenwerkingsvoorstel effect hebben op grootschalige astrofysische verschijnselen.

Tijdens een bezoek aan de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz (JGU), Ryutov, zijn gastheer Professor Dmitry Budker van het Helmholtz Instituut Mainz (HIM), en professor Victor Flambaum, fellow van het Gutenberg Research College van de Universiteit van Mainz, besloot het idee nader te bekijken. Ze waren geïnteresseerd in hoe de oneindig kleine massa van het foton een effect zou kunnen hebben op massieve sterrenstelsels. Het mechanisme dat de kern vormt van de aanname van de natuurkundigen is een gevolg van wat bekend staat als Maxwell-Proca-vergelijkingen. Hierdoor zouden extra middelpuntzoekende krachten kunnen worden gegenereerd als gevolg van de elektromagnetische spanningen in een sterrenstelsel.

Zijn de effecten even sterk als die van donkere materie?

"Het hypothetische effect dat we onderzoeken is niet het resultaat van verhoogde zwaartekracht, " legde Dmitry Budker uit. Dit effect kan gelijktijdig optreden met de veronderstelde invloed van donkere materie. Het kan zelfs - onder bepaalde omstandigheden - de noodzaak om donkere materie op te roepen als een factor als het gaat om het verklaren van rotatiecurven volledig elimineren. Rotatiecurven drukken de relatie uit tussen de baansnelheden van sterren in een melkwegstelsel en hun radiale afstand tot het centrum van het melkwegstelsel. "Door een bepaalde fotonmassa aan te nemen, veel kleiner dan de huidige bovengrens, we kunnen aantonen dat deze massa voldoende zou zijn om extra krachten in een melkwegstelsel te genereren en dat deze krachten ruwweg groot genoeg zouden zijn om de rotatiecurven te verklaren, "zei Budker. "Deze conclusie is buitengewoon opwindend."

De natuurkundigen waagden het zelfs nog een stap verder. Ze onderzochten hoe protosterren zich vormen en ontdekten dat hun hypothese andere implicaties heeft. Het voorspelt dat langlevende, relatief lichte sterren, zoals de zon, zou zeer elliptische banen hebben. "De werkelijke waarnemingen komen duidelijk niet overeen met deze voorspelling, wat betekent dat onze theorie niet alles kan verklaren." Proca-krachteffecten kunnen dus slechts verantwoordelijk zijn voor enkele van de anomalieën in de rotatiecurven. "We beschouwen fotonenmassa momenteel niet als de oplossing voor het rotatiecurve-probleem. Maar het kan een deel van de oplossing zijn, " concludeerde Budker. "Echter, we moeten een open geest houden zolang we niet echt weten wat donkere materie is."