Wetenschap
Is de belangrijkste rivaliserende theorie van donkere zaken dood? Het Cassini-ruimtevaartuig en andere recente tests kunnen MOND ongeldig maken
Om te voorkomen dat sterrenstelsels uit elkaar vliegen, is er wat extra zwaartekracht nodig. Dit is de reden waarom voor het eerst het idee van een onzichtbare substantie genaamd donkere materie werd voorgesteld. Maar niemand heeft het spul ooit gezien. En er zijn geen deeltjes in het enorm succesvolle Standaardmodel van de deeltjesfysica die de donkere materie zouden kunnen zijn – het moet iets heel exotisch zijn.
Dit heeft geleid tot het rivaliserende idee dat de galactische discrepanties in plaats daarvan worden veroorzaakt door een mislukking van de wetten van Newton. Het meest succesvolle idee staat bekend als de Milgromiaanse dynamiek of MOND, voorgesteld door de Israëlische natuurkundige Mordehai Milgrom in 1982. Maar ons recente onderzoek toont aan dat deze theorie in de problemen zit.
Het belangrijkste postulaat van MOND is dat de zwaartekracht zich anders gaat gedragen dan Newton had verwacht als deze erg zwak wordt, zoals aan de randen van sterrenstelsels. MOND is behoorlijk succesvol in het voorspellen van de rotatie van sterrenstelsels zonder enige donkere materie, en heeft nog een paar andere successen. Maar veel hiervan kunnen ook worden verklaard met donkere materie, waarbij de wetten van Newton behouden blijven.
Dus hoe stellen we MOND aan een definitieve test? Wij streven dit al vele jaren na. De sleutel is dat MOND het gedrag van de zwaartekracht alleen verandert bij lage versnellingen, en niet op een specifieke afstand van een object. Je voelt een lagere versnelling aan de rand van een hemellichaam (een planeet, ster of sterrenstelsel) dan wanneer je er dichtbij bent. Maar het is de hoeveelheid versnelling, en niet de afstand, die voorspelt waar de zwaartekracht sterker zou moeten zijn.
Dit betekent dat, hoewel MOND-effecten normaal gesproken optreden op enkele duizenden lichtjaren afstand van een sterrenstelsel, de effecten, als we naar een individuele ster kijken, zeer significant zouden worden op een tiende van een lichtjaar. Dat is slechts een paar duizend keer groter dan een astronomische eenheid (AU) – de afstand tussen de aarde en de zon. Maar zwakkere MOND-effecten zouden ook op nog kleinere schaal waarneembaar moeten zijn, zoals in de buitenste delen van het zonnestelsel.
Dit brengt ons bij de Cassini-missie, die tussen 2004 en zijn laatste vurige crash op de planeet in een baan om Saturnus draaide in 2017. Saturnus draait rond de zon met een snelheid van 10 AU. Door een gril van MOND zou de zwaartekracht van de rest van onze Melkweg ervoor moeten zorgen dat de baan van Saturnus op een subtiele manier afwijkt van de Newtoniaanse verwachting.
Dit kan worden getest door radiopulsen tussen de aarde en Cassini te timen. Omdat Cassini in een baan om Saturnus draaide, hielp dit bij het meten van de afstand tussen de aarde en Saturnus, waardoor we de baan van Saturnus nauwkeurig konden volgen. Maar Cassini vond geen enkele anomalie van het soort dat bij MOND werd verwacht. Newton werkt nog steeds goed voor Saturnus.
Een van ons, Harry Desmond, heeft onlangs een onderzoek gepubliceerd in de Monthly Notices of the Royal Astronomical Society die de resultaten dieper onderzoekt. Misschien zou MOND passen bij de gegevens van Cassini als we zouden aanpassen hoe we de massa van sterrenstelsels berekenen op basis van hun helderheid? Dat zou van invloed zijn op de mate waarin MOND de zwaartekracht moet versterken om in modellen van de rotatie van sterrenstelsels te passen, en dus op wat we kunnen verwachten voor de baan van Saturnus.
Een andere onzekerheid is de zwaartekracht van omringende sterrenstelsels, die een klein effect heeft. Maar het onderzoek toonde aan dat, gezien de manier waarop MOND zou moeten werken om te passen in modellen voor de rotatie van sterrenstelsels, het niet ook kan passen bij de Cassini-radiotrackingresultaten, hoe we de berekeningen ook aanpassen.
Met de standaardaannames die astronomen het meest waarschijnlijk achten en rekening houdend met een breed scala aan onzekerheden, is de kans dat MOND de resultaten van Cassini evenaart hetzelfde als wanneer een munt 59 keer op rij met de kop omhoog landt. Dit is meer dan het dubbele van de "5 sigma" gouden standaard voor een ontdekking in de wetenschap, wat overeenkomt met ongeveer 21 muntwisselingen op rij.
Nog meer slecht nieuws voor MOND
Dat is niet het enige slechte nieuws voor MOND. Een andere test wordt geleverd door brede dubbelsterren – twee sterren die enkele duizenden AU van elkaar verwijderd rond een gedeeld centrum draaien. MOND voorspelde dat dergelijke sterren 20% sneller om elkaar heen zouden moeten draaien dan verwacht op basis van de wetten van Newton. Maar een van ons, Indranil Banik, heeft onlangs een zeer gedetailleerd onderzoek geleid dat deze voorspelling uitsluit. De kans dat MOND gelijk heeft, gegeven deze resultaten, is hetzelfde als een eerlijke munt die 190 keer op rij heads-up landt.
Resultaten van weer een ander team laten zien dat MOND er ook niet in slaagt kleine hemellichamen in het verre buitenste deel van het zonnestelsel te verklaren. Kometen die daar vandaan komen, hebben een veel smallere energieverdeling dan MOND voorspelt. Deze lichamen hebben ook banen die gewoonlijk slechts licht hellen ten opzichte van het vlak waar alle planeten dichtbij draaien. MOND zou ervoor zorgen dat de neigingen veel groter zijn.
De Newtoniaanse zwaartekracht heeft sterk de voorkeur boven MOND op lengteschalen van minder dan ongeveer een lichtjaar. Maar MOND faalt ook op schaal groter dan sterrenstelsels:het kan de bewegingen binnen clusters van sterrenstelsels niet verklaren. Donkere materie werd voor het eerst voorgesteld door Fritz Zwicky in de jaren dertig om rekening te houden met de willekeurige bewegingen van sterrenstelsels binnen de Comacluster, waarvoor meer zwaartekracht nodig is om ze bij elkaar te houden dan de zichtbare massa kan bieden.
MOND kan ook niet genoeg zwaartekracht bieden, althans niet in de centrale gebieden van clusters van sterrenstelsels. Maar in hun buitenwijken zorgt MOND voor te veel zwaartekracht. Ervan uitgaande dat de zwaartekracht van Newton, met vijf keer zoveel donkere materie als normale materie, goed aansluit bij de gegevens.
Het standaard donkere materiemodel van de kosmologie is echter niet perfect. Er zijn dingen die het moeilijk kan verklaren, van de uitdijingssnelheid van het universum tot gigantische kosmische structuren. Het kan dus zijn dat we nog niet het perfecte model hebben. Het lijkt erop dat donkere materie een blijvertje is, maar de aard ervan kan anders zijn dan wat het Standaardmodel suggereert. Of de zwaartekracht kan inderdaad sterker zijn dan we denken, maar alleen op zeer grote schaal.
Maar uiteindelijk kan MOND, zoals het nu is geformuleerd, niet langer als een levensvatbaar alternatief voor donkere materie worden beschouwd. We vinden het misschien niet leuk, maar de duistere kant heeft nog steeds de overhand.