De sterrenstelselcluster Abell 520, met vermoedelijke donkere materie in blauw gemarkeerd. NASA
Het is meer dan 50 jaar geleden dat astronomen voor het eerst “donkere materie” voorstelden, waarvan wordt gedacht dat het de meest voorkomende vorm van materie in het universum is. Desondanks hebben we geen idee wat het is – niemand heeft het direct gezien of in het lab geproduceerd.
Dus hoe kunnen wetenschappers er zo zeker van zijn dat het bestaat? Zouden zij dat moeten zijn? Het blijkt dat filosofie ons kan helpen deze vragen te beantwoorden.
In de jaren zeventig onthulde een baanbrekende studie van de astronomen Vera Rubin en Kent Ford over de rotatie van ons naburige sterrenstelsel Andromeda een verrassende inconsistentie tussen theorie en waarneming. Volgens onze beste zwaartekrachttheorie voor deze schalen – de wetten van Newton – zouden sterren en gas in een sterrenstelsel steeds langzamer moeten draaien naarmate ze verder van het centrum van het sterrenstelsel verwijderd zijn. Dat komt omdat de meeste sterren zich in de buurt van het centrum bevinden, waardoor daar een sterke gravitatiekracht ontstaat.
Het resultaat van Rubin en Ford toonde aan dat dit niet het geval was. Sterren aan de buitenrand van het melkwegstelsel bewogen ongeveer even snel als de sterren rond het centrum. Het idee dat het melkwegstelsel ingebed moet zijn in een grote halo van donkere materie werd in principe voorgesteld om deze anomalie te verklaren (hoewel anderen dit al eerder hadden voorgesteld). Deze onzichtbare massa werkt via de zwaartekracht in op de buitenste sterren en verhoogt hun snelheid.
Dit is slechts één voorbeeld van verschillende anomalieën in kosmologische waarnemingen. De meeste daarvan kunnen echter op dezelfde manier worden verklaard door de huidige gravitatiewetten van de Newtoniaanse dynamica en Einsteins algemene relativiteitstheorie aan te passen. Misschien gedraagt de natuur zich op bepaalde schalen net iets anders dan deze theorieën voorspellen?
Een van de eerste van dergelijke theorieën, ontwikkeld door de Israëlische natuurkundige Mordehai Milgrom in 1983, suggereerde dat de Newtoniaanse wetten iets anders zouden kunnen werken wanneer er een extreem kleine versnelling bij betrokken is, zoals aan de rand van melkwegstelsels. Deze aanpassing was perfect verenigbaar met de waargenomen galactische draaiing. Niettemin geven natuurkundigen vandaag de dag de overgrote meerderheid de voorkeur aan de donkere materie-hypothese die is opgenomen in het zogenaamde ΛCDM-model (Lambda Cold Dark Matter).
Deze zienswijze is zo sterk verankerd in de natuurkunde dat zij algemeen wordt aangeduid als het “standaardmodel van de kosmologie”. Maar als de twee concurrerende theorieën van donkere materie en gewijzigde zwaartekracht de rotatie van sterrenstelsels en andere anomalieën in gelijke mate kunnen verklaren, kan men zich afvragen of we goede redenen hebben om de ene boven de andere te verkiezen.
De grafiek toont de rotatiesnelheid van sterren en gas (verticale as) als functie van hun afstand tot het centrum (horizontale as). Volgens de theorie zouden we de grafiek moeten krijgen met de aanduiding “verwacht door de zichtbare schijf”, maar de werkelijkheid is anders.
wikipedia, CC BY-SA
Waarom heeft de wetenschappelijke gemeenschap een sterke voorkeur voor de donkere mater verklaring boven gemodificeerde zwaartekracht? En hoe kunnen we ooit beslissen welke van de twee verklaringen de juiste is?
Filosofie aan het redden
Dit is een voorbeeld van wat filosofen “onderbepaling van de wetenschappelijke theorie” door het beschikbare bewijsmateriaal noemen. Dit beschrijft elke situatie waarin het beschikbare bewijs onvoldoende kan zijn om te bepalen welke overtuigingen we zouden moeten hebben in reactie daarop. Het is een probleem dat wetenschapsfilosofen al lange tijd voor een raadsel stelt.
In het geval van de vreemde draaiing in melkwegstelsels kunnen de gegevens alleen niet bepalen of de waargenomen snelheden het gevolg zijn van de aanwezigheid van extra niet-waarneembare materie of van het feit dat onze huidige zwaartekrachtswetten onjuist zijn.
Wetenschappers zoeken daarom naar aanvullende gegevens in andere contexten die uiteindelijk de vraag zullen beslechten. Eén zo’n voorbeeld ten gunste van donkere materie komt uit de waarnemingen van hoe materie is verdeeld in de Bullet cluster van melkwegstelsels, die bestaat uit twee botsende melkwegstelsels op ongeveer 3,8 miljard lichtjaar van de Aarde. Een andere is gebaseerd op metingen van de manier waarop licht wordt afgebogen door (onzichtbare) materie in de kosmische microgolfachtergrond, het licht dat is overgebleven van de oerknal. Deze metingen worden vaak gezien als onweerlegbaar bewijs ten gunste van donkere materie, omdat de oorspronkelijke theorie van Milgrom ze niet kan verklaren.
Na de publicatie van deze resultaten zijn er de laatste decennia echter verdere theorieën van gemodificeerde zwaartekracht ontwikkeld om al het observationele bewijs voor donkere materie te verklaren, soms met groot succes. Toch blijft de donkere materie hypothese nog steeds de favoriete verklaring van natuurkundigen. Waarom?
Eén manier om dit te begrijpen is gebruik te maken van de filosofische hulpmiddelen van de Bayesiaanse bevestigingstheorie. Dit is een probabilistisch raamwerk voor het schatten van de mate waarin hypothesen worden gesteund door het beschikbare bewijsmateriaal in verschillende contexten.
In het geval van twee concurrerende hypothesen is hetgeen de uiteindelijke waarschijnlijkheid van elke hypothese bepaalt, het product van de verhouding tussen de aanvankelijke waarschijnlijkheden van de twee hypothesen (vóór het bewijs) en de verhouding tussen de waarschijnlijkheden dat het bewijs in elk van de gevallen verschijnt (de waarschijnlijkheidsverhouding genoemd).
Donkere materie vs gemodificeerde zwaartekracht, waarbij Pr waarschijnlijkheid betekent.
Auteur verstrekt
Als we aannemen dat de meest verfijnde versies van de gemodificeerde zwaartekracht en de donkere materie theorie in gelijke mate door het bewijsmateriaal worden ondersteund, dan is de likelihood ratio gelijk aan één. Dat betekent dat de uiteindelijke beslissing afhangt van de oorspronkelijke waarschijnlijkheid van deze twee hypothesen.
Bepalen wat precies telt als de “aanvankelijke waarschijnlijkheid” van een hypothese, en de mogelijke manieren waarop zulke waarschijnlijkheden bepaald kunnen worden, blijft een van de moeilijkste uitdagingen in de Bayesiaanse bevestigingstheorie. En het is hier waar filosofische analyse nuttig blijkt te zijn.
In het hart van de filosofische literatuur over dit onderwerp ligt de vraag of de aanvankelijke waarschijnlijkheden van wetenschappelijke hypothesen objectief moeten worden bepaald op basis van uitsluitend probabilistische wetten en rationele beperkingen. Als alternatief zouden zij een aantal bijkomende factoren kunnen omvatten, zoals psychologische overwegingen (of wetenschappers een voorkeur hebben voor een bepaalde hypothese op grond van belangstelling of om sociologische of politieke redenen), achtergrondkennis, het succes van een wetenschappelijke theorie op andere gebieden, enzovoort.
Het identificeren van deze factoren zal ons uiteindelijk helpen de redenen te begrijpen waarom de donkere materie theorie een overweldigende voorkeur geniet in de natuurkundige gemeenschap.
Filosofie kan ons uiteindelijk niet vertellen of astronomen gelijk of ongelijk hebben over het bestaan van donkere materie. Maar zij kan ons wel vertellen of astronomen inderdaad goede redenen hebben om er in te geloven, wat deze redenen zijn, en wat er voor nodig is om gewijzigde zwaartekracht net zo populair te laten worden als donkere materie.
We weten nog steeds niet de exacte antwoorden op deze vragen, maar er wordt aan gewerkt. Meer onderzoek in de wetenschapsfilosofie zal ons een beter oordeel geven.
Antonis Antoniou ontvangt financiering van de UK Arts and Humanities Research Council via het South, West and Wales Doctoral Training Partnership.
