De simultane meting van zwaartekrachtsgolven en licht van botsende neutronensterren heeft enkele alternatieve theorieën over donkere materie en donkere energie om zeep geholpen. Deze theorieën vereisten dat zwaartekrachtsgolven langzamer of zelfs sneller reizen dan het licht. De waarneming bewees dat dit niet het geval is.
Op 17 augustus maten LIGO-en Virgo-detectoren zwaartekrachtsgolven afkomstig van twee kosmische objecten die naar elkaar toe spiraalden. Ongeveer 1,7 seconden later detecteerde NASA’s Fermi-satelliet een gammaflits. Beide signalen waren afkomstig van twee neutronensterren die op 130 miljoen lichtjaar afstand van de aarde met elkaar in botsing kwamen.
Ook andere telescopen namen de botsing waar. Ze vingen elektromagnetische golven op die met de ruimtetijdrimpelingen meereisden. Zo’n waarneming was nog nooit verricht.
‘Dit geeft ons de mogelijkheid om de snelheid van zwaartekrachtsgolven af te zetten tegen de lichtsnelheid’, zegt fysicus Miguel Zumalacárregui van de University of California. De signalen van de botsing, die inmiddels bekendstaat als GW170817, wijzen uit dat zwaartekrachtsgolven zich zoals verwacht met de lichtsnelheid voortplanten. De kans dat de snelheden niet overeenkomen, is ongeveer één op een biljard.
MOND
Dit resultaat ondermijnt enkele aangepaste versies van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Met dergelijke alternatieve theorieën willen fysici problematische kosmische fenomenen verklaren. Dat zijn met name de mysterieuze donkere energie die vermoedelijk de versnelde uitdijing van het heelal veroorzaakt en de onzichtbare donkere materie die we alleen opmerken doordat die gewone materie via de zwaartekracht aantrekt.
Volgens het standaardmodel van de kosmologie bestaat zo’n 27 procent van het heelal uit donkere materie en 68 procent uit donkere energie. Dit werpt echter vragen op. Waarom is bijvoorbeeld de waargenomen donkere energie bijna 120 orden van grootte kleiner dan theorieën uit de deeltjesfysica voorspellen? Als donkere energie de voorspelde waarde had, zou de versnelde uitdijing van het heelal vele malen groter zijn dan we nu meten. Vermoedelijk was alle materie dan allang uiteengereten.
Als je chocola wilt maken van onze waarnemingen van de kosmos zonder je toevlucht te nemen tot donkere materie of donkere energie, moet je de huidige theorieën aanpassen. Sommige fysici proberen bijvoorbeeld af te rekenen met donkere materie door de standaardbeschrijving van zwaartekracht te veranderen. Dit staat bekend als modified Newtonian dynamics (MOND). Een theorie genaamd tensor-vector-scalar-zwaartekracht (TeVeS), ontwikkeld door Jaob Bekenstein, is tot dusver het succesvolst in het bereiken van MOND-achtig gedrag. Deze theorie verklaart de beweging van sterren en sterrenstelsels zonder dat daar donkere materie bij nodig is.
Galileïsche zwaartekracht
Alternatieve theorieën die de versnelde uitdijing van het heelal pogen te verklaren, veranderen doorgaans de algemene relativiteitstheorie door er nieuwe velden aan toe te voegen. In sommige van die theorieën zorgen de extra velden ervoor dat de versnelling ondanks de hoge waarde van de donkere energie binnen de perken blijft. In andere gevallen laten de velden de uitdijing van het heelal versnellen zonder dat daar donkere energie bij nodig is. Een voorbeeld van dat laatste zijn Galileïsche zwaartekrachtsmodellen. In die modellen heeft een nieuw Galileïsch veld ergens in de afgelopen paar miljard jaar de versnelde uitdijing in gang gezet.
Vier teams van fysici (1, 2, 3 en 4) hebben nu veel van dit soort alternatieve theorieën uitgesloten, waaronder TeVeS en Galileïsche zwaartekracht. Deze theorieën voorspellen namelijk allemaal dat zwaartekrachtsgolven niet met de lichtsnelheid bewegen. ‘Degenen van ons die werken aan donkere energie en aangepaste zwaartekracht, moeten net als wij maar eens goed nadenken over waar ze mee bezig zijn’, zegt Zumalacárregui.
Astrofysicus Pedro Ferreira van de University of Oxford is het daarmee eens. ‘We kunnen een groot aantal alternatieve theorieën uitsluiten’, zegt hij. ‘Zoals altijd overleven alleen de eenvoudigste varianten.’
Pathologische oplossingen
De algemene relativiteitstheorie is uiteraard nog altijd in de race. Deze theorie omvat donkere energie als ‘kosmologische constante’: een onveranderlijke factor die de energiedichtheid van het vacuüm van de ruimtetijd weergeeft. Andere eenvoudige modellen, zoals ‘quintessence’, introduceren een nieuw veld dat ervoor zorgt dat de energiedichtheid van het vacuüm niet constant is. Ook deze modellen hebben de schifting overleefd.
‘Het is opmerkelijk hoe succesvol Einsteins algemene relativiteitstheorie is, en hoe moeilijk het is om met levensvatbare alternatieven te komen’, zegt astronoom Avi Loeb van de Harvard University. Het verklaren van donkere materie en donkere energie vereist uiteindelijk wellicht dat de algemene relativiteitstheorie wordt verzoend met de quantummechanica, zodat één theorie van quantumzwaartekracht ontstaat.
Einsteins theorie bezwijkt als die wordt toegepast op de oerknal en bijbehorende singulariteiten. Loeb: ‘Om deze pathologische oplossingen te genezen, moet ze vervangen worden door een theorie die quantummechanica incorporeert.’
Kosmologen hadden mazzel met GW170817, omdat die meting ze hielp onhoudbare theorieën de nek om te draaien. Mogelijk hebben ze nog zo’n toevalstreffer nodig om het pad te effenen naar een theorie van quantumzwaartekracht.
Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.
Lees verder:
- Zwaartekrachtsgolf van botsende neutronensterren onthult oorsprong van goud
- Waarom de vermoedelijke nieuwe ontdekking rond zwaartekrachtsgolven zo spannend is
- ‘Alsof we niet alleen naar het heelal kijken, maar er ook naar luisteren’
- Nobelprijs natuurkunde naar grondleggers eerste directe meting zwaartekrachtsgolven
- Voorspellingen Verlinde doorstaan eerste astronomische test
- Dit is waarom de publicatie van Erik Verlinde zo spannend is