Wetenschappers zijn al lang verbijsterd over de rotatie van sterrenstelsels. Nasa/James Webb Telescoop
Een van de grootste mysteries in de huidige astrofysica is dat de krachten in sterrenstelsels niet lijken te kloppen. Sterrenstelsels draaien veel sneller dan wordt voorspeld door de zwaartekrachtswet van Newton toe te passen op hun zichtbare materie, ondanks dat deze wetten overal in het zonnestelsel goed werken.
Om te voorkomen dat sterrenstelsels uit elkaar vliegen, is wat extra zwaartekracht nodig. Daarom werd voor het eerst het idee geopperd van een onzichtbare substantie die donkere materie wordt genoemd. Maar niemand heeft het spul ooit gezien. En er zijn geen deeltjes in het enorm succesvolle Standaard Model 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 worden veroorzaakt door een storing in de wetten van Newton. Het meest succesvolle idee staat bekend als Milgromiaanse dynamica 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 hoofdpostulaat van Mond is dat zwaartekracht zich anders gaat gedragen dan Newton verwachtte als het heel zwak wordt, zoals aan de randen van sterrenstelsels. Mond is behoorlijk succesvol in het voorspellen van de rotatie van melkwegstelsels zonder donkere materie, en het heeft nog een paar andere successen. Maar veel daarvan kunnen ook verklaard worden met donkere materie, met behoud van Newtons wetten.
Lees meer:
Donkere materie: onze review suggereert dat het tijd is om het te dumpen ten gunste van een nieuwe zwaartekrachttheorie
Hoe kunnen we Mond nu definitief op de proef stellen? Daar zijn we al jaren mee bezig. De sleutel is dat Mond het gedrag van zwaartekracht alleen verandert bij lage versnellingen, niet op een specifieke afstand van een object. Aan de rand van elk hemellichaam – een planeet, ster of sterrenstelsel – voel je een lagere versnelling 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 de effecten van Mond normaal gesproken duizenden lichtjaren van een melkwegstelsel vandaan optreden, als we naar een individuele ster kijken, de effecten al bij een tiende lichtjaar zeer significant worden. Dat is slechts een paar duizend keer groter dan een astronomische eenheid (AE) – de afstand tussen de aarde en de zon. Maar zwakkere Mond-effecten zouden ook waarneembaar moeten zijn op nog kleinere schalen, zoals in het buitenste zonnestelsel.
Dit brengt ons bij de Cassini-missie, die in een baan om Saturnus draaide tussen 2004 en zijn uiteindelijke vurige crash in de planeet in 2017. Saturnus draait rond de zon op 10 AE. Door een gril van Mond zou de zwaartekracht van de rest van ons melkwegstelsel ervoor moeten zorgen dat de baan van Saturnus op een subtiele manier afwijkt van de Newtoniaanse verwachting.
Cassini draaide van 2004 tot 2017 rond Saturnus.
Wikipedia, CC BY-SA
Dit kan worden getest door radiopulsen tussen de aarde en Cassini te timen. Omdat Cassini in een baan om Saturnus draaide, hielp dit om de afstand tussen de aarde en Saturnus te meten en konden we de baan van Saturnus nauwkeurig volgen. Maar Cassini vond geen anomalie van het soort dat in Mond werd verwacht. Newton werkt nog steeds goed voor Saturnus.
Een van ons, Harry Desmond, heeft onlangs een studie gepubliceerd waarin de resultaten nader worden onderzocht. Misschien past Mond wel bij de Cassini-gegevens als we de manier waarop we de massa’s van melkwegstelsels uit hun helderheid berekenen aanpassen? Dat zou invloed hebben op hoeveel zwaartekracht Mond moet leveren om te passen bij modellen van rotatie van melkwegstelsels, en dus op wat we zouden moeten 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 hoe Mond zou moeten werken om te passen met modellen voor melkwegrotatie, het ook niet kan passen met de Cassini-radiolocatieresultaten – hoe we de berekeningen ook aanpassen.
Met de standaard aannames die astronomen als het meest waarschijnlijk beschouwen en rekening houdend met een breed scala aan onzekerheden, is de kans dat Mond overeenkomt met de Cassini-resultaten hetzelfde als een munt die 59 keer achter elkaar op kop valt. Dit is meer dan twee keer de “5 sigma” gouden standaard voor een ontdekking in de wetenschap, wat overeenkomt met ongeveer 21 keer achter elkaar een munt opgooien.
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 om een gedeeld centrum draaien dat enkele duizenden AE van elkaar verwijderd is. Mond voorspelde dat zulke sterren 20% sneller om elkaar heen zouden draaien dan verwacht met 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, is gezien deze resultaten even groot als wanneer een eerlijke munt 190 keer achter elkaar op kop valt.
Resultaten van nog een ander team laten zien dat Mond er ook niet in slaagt om kleine lichamen in het verre buitenste zonnestelsel te verklaren. Kometen die daar vandaan komen hebben een veel kleinere energieverdeling dan Mond voorspelt. Deze hemellichamen hebben ook banen die meestal maar een klein beetje schuin staan ten opzichte van het vlak waar alle planeten dicht tegenaan draaien. Mond zou ervoor zorgen dat de hellingen veel groter zijn.
Newtoniaanse zwaartekracht heeft sterk de voorkeur boven Mond op lengteschalen kleiner dan ongeveer een lichtjaar. Maar Mond faalt ook op schalen groter dan melkwegstelsels: het kan de bewegingen binnen melkwegclusters niet verklaren. Donkere materie werd voor het eerst voorgesteld door Fritz Zwicky in de jaren 1930 om de willekeurige bewegingen van sterrenstelsels binnen de Coma-cluster te verklaren, die meer zwaartekracht nodig heeft om bij elkaar te blijven dan de zichtbare massa kan leveren.
Mond kan ook niet genoeg zwaartekracht leveren, tenminste niet in de centrale gebieden van melkwegclusters. Maar in de randgebieden levert Mond te veel zwaartekracht. Als we in plaats daarvan uitgaan van Newtoniaanse zwaartekracht, met vijf keer zoveel donkere materie als normale materie, dan lijkt dat goed bij de gegevens te passen.
Het standaard donkere materie model van de kosmologie is echter niet perfect. Er zijn dingen die het moeilijk kan verklaren, van de uitdijingssnelheid van het heelal tot gigantische kosmische structuren. Misschien hebben we dus nog niet het perfecte model. Het lijkt erop dat donkere materie blijft bestaan, maar de aard ervan kan anders zijn dan het Standaardmodel suggereert. Of de zwaartekracht kan inderdaad sterker zijn dan we denken, maar alleen op zeer grote schalen.
Uiteindelijk kan Mond, zoals het nu geformuleerd is, niet meer beschouwd worden als een levensvatbaar alternatief voor donkere materie. We vinden het misschien niet leuk, maar de donkere kant heeft nog steeds de overhand.
Indranil Banik ontvangt financiering van de Science and Technologies Facilities Council om MOND te testen met behulp van de dynamica van brede dubbelsterren.
Harry Desmond werkt niet voor, heeft geen adviesfuncties, bezit geen aandelen in en ontvangt geen financiering van bedrijven of organisaties die baat zouden hebben bij dit artikel en heeft geen relevante banden bekendgemaakt buiten zijn academische aanstelling.
