Een nieuwe variant van een alternatieve zwaartekrachttheorie kan metingen van de kosmische achtergrondstraling verklaren. Daarmee wordt de zogeheten MOND-theorie misschien toch weer een geduchte concurrent voor de theorie van donkere materie.
Het nieuwe MOND-model, genaamd relMOND, werd vorig jaar ontwikkeld door Constantinos Skordis en Tom Złośnik van de Tsjechische Academie van Wetenschappen in Praag. Vorige maand is het gepubliceerd in natuurkundig tijdschrift Physical Review Letters.
Het grote voordeel van het nieuwe model is dat het de gemeten patronen in de kosmische achtergrondstraling verklaart. Deze straling is een soort nagloed van de oerknal die overal in het heelal aanwezig is. Kleine verschillen in de temperatuur van de straling geven aan hoe materie over het heelal is verdeeld.
Tot dusver kon de MOND-theorie deze patronen niet verklaren. Daardoor kon de theorie zich nooit echt meten met de gangbare beschrijving van het heelal. Het nieuwe model kan daar wellicht verandering in brengen; al zijn er ook fundamentele bezwaren tegenin te brengen.
Alternatieven
Volgens de meeste kosmologen bestaat het grootste deel van de materie in het heelal uit onzichtbare deeltjes die anders zijn dan alle deeltjes die we kennen. Met name de snelle draaiing van sterrenstelsels wijst op het bestaan van deze donkere materie.
Zelfs met de krachtigste apparatuur lukt het echter maar niet om deze deeltjes te ontdekken. Ook lukt het zelfs met de krachtigste deeltjesversnellers niet om ze na te maken.
Sommige natuurkundigen denken daarom dat donkere materie helemaal niet bestaat. Zij menen dat de effecten die we ervan zien eigenlijk voortkomen uit een gebrekkig begrip van de zwaartekracht. Volgens hen moeten we dus onze zwaartekrachttheorie aanpassen, in plaats van een nieuwe vorm van materie in het leven te roepen.
Schijfstelsels
Het meest gangbare alternatief voor donkere materie is de MOND-theorie, wat staat voor MOdified Newtonian Dynamics. Deze zwaartekrachttheorie maakte een daverende entree in de jaren tachtig. De formules bleken de draaiing van schijfvormige sterrenstelsels zonder donkere materie te kunnen verklaren.
Lees ook: In heelal met alternatieve zwaartekracht ontstaan realistische sterrenstelsels
De MOND-theorie is sindsdien echter nooit helemaal doorgebroken. Behalve de schijfstelsels was de theorie op te weinig fenomenen van toepassing. Want dat is het lastige aan het ontwikkelen van een alternatieve zwaartekrachttheorie: je moet er elk verschijnsel in het heelal mee kunnen beschrijven. De standaardtheorie kan dat op enkele uitzonderingen na wel, mits je het bestaan van donkere materie (en donkere energie) accepteert.
Lichtsnelheid
De MOND-theorie had onder andere jarenlang geen verklaring voor waarnemingen van zwaartekrachtslenzen: het verschijnsel waarbij licht door de zwaartekracht van een sterrenstelsel wordt afgebogen. Dat veranderde begin deze eeuw met de ontwikkeling van zogeheten relativistische MOND-modellen. Maar ook met die modellen konden de patronen in de kosmische achtergrondstraling niet gereproduceerd worden.
Daarnaast kreeg de MOND-theorie een knauw toen er in 2017 voor het eerst zwaartekrachtsgolven afkomstig van twee botsende neutronensterren werden gemeten. ‘Een belangrijk relativistisch MOND-model voorspelde dat zwaartekrachtsgolven iets langzamer zouden bewegen dan de lichtsnelheid’, vertelt Margot Brouwer, tot voor kort sterrenkundige aan de Rijksuniversiteit Groningen en de Universiteit van Amsterdam. ‘Maar uit die metingen bleek dat de zwaartekrachtsgolven en het licht afkomstig van de botsing tot op vijftien decimalen even snel waren geweest.’
Twee velden
De ‘Tsjechische variant’ relMOND lost beide problemen in één klap op. Het model van Skordis en Złośnik gaat uit van het bestaan van twee extra velden. Het ene veld is vergelijkbaar met het higgsveld, dat het hele heelal doorkruist en deeltjes hun massa geeft. Het andere veld kun je zien als een soort magnetisch veld. Samen wekken de twee velden een extra vorm van zwaartekracht op.
Op die manier verklaart het model de draaiing van sterrenstelsels, het bestaan van zwaartekrachtslenzen, de snelheid van zwaartekrachtsgolven én de gemeten patronen in de kosmische achtergrondstraling. Een opmerkelijk resultaat, stelt theoretisch natuurkundige Manus Visser van de Universiteit van Genève. ‘Het is opvallend dat er een relativistische MOND-achtige theorie is die zowel werkt op de schaal van sterrenstelsels als op kosmologische schaal. Dat is zeker een vooruitgang voor het landschap van MOND-theorieën’, zegt hij.
Ook Brouwer is verrast. ‘Ik had nooit gedacht dat een MOND-model de kosmische achtergrondstraling kon verklaren’, zegt ze. ‘In de standaardtheorie heeft donkere materie veel invloed op het ontstaan van patronen in die straling. Er is dus een enorm complex model nodig om diezelfde patronen zonder donkere materie te verklaren.’
Barok
Dat is ook wel meteen het nadeel van het nieuwe model: het zit buitengewoon complex in elkaar. Bij gelijke resultaten is in de natuurkunde doorgaans de simpelste theorie de juiste. En momenteel zijn donkeremateriemodellen een stuk minder complex dan relMOND.
Daarnaast kun je je afvragen: twee extra velden die samen de effecten van donkere materie nabootsen, is dat niet een nog grotere kunstgreep dan het invoeren van donkere materie zelf? Skordis vindt van niet; elke kosmologische theorie introduceert nu eenmaal iets onbekends, stelt hij in een artikel op de nieuwswebsite van Physical Review Letters. Maar de Amerikaanse kosmoloog David Spergel noemt het nieuwe model in datzelfde artikel ‘barok’, en beticht de Tsjechen ervan dat ze eigenlijk ‘een complexe vorm van donkere materie’ invoeren.
Geen theorie
Een ander kritiekpunt is dat het nieuwe model geen fundamentele theoretische onderbouwing heeft. De formules beschrijven de werkelijkheid, maar er is geen dieperliggende reden waarom juist die formules dat doen. Modellen met donkere materie zijn daarentegen vaak gestoeld op natuurkundige wetten rond symmetrie.
‘Ik begrijp het gebrek aan enthousiasme onder theoretici’, zegt Brouwer. ‘Maar de onderzoekers hadden ook niet als doel om een nieuwe theorie te ontwikkelen. Ze wilden alleen laten zien dat je ook zonder donkere materie kunt.’
Lees ook: Theorie Verlinde in het nauw na studie duizenden sterrenstelsels
Bovendien kan zo’n achterliggende theorie ook later nog ontdekt worden. De alternatieve zwaartekrachttheorie van fysicus Erik Verlinde van de Universiteit van Amsterdam is bijvoorbeeld deels gebaseerd op de oorspronkelijke MOND-formules uit de jaren tachtig, die zelf geen theoretische onderbouwing hadden.
Kan het huidige relMOND-model voor hem ook als inspiratie dienen? Niet direct, denkt Verlinde. ‘Ik vind het interessant werk’, zegt hij. ‘Maar ik probeer juist een fundamentele verklaring te vinden voor de MOND-vergelijkingen en ook de metingen van de kosmische achtergrondstraling. De belangrijkste vragen waar ik mee bezig ben, hebben dus te maken met een precieze theoretische onderbouwing.’
Waarnemingen
Voor Visser is het gebrek aan een theoretische onderbouwing niet het voornaamste obstakel. ‘Wat uiteindelijk telt, is of het model overeenkomt met alle waarnemingen’, zegt hij. ‘Kan het ook waarnemingen verklaren van clusters van sterrenstelsels, en de verschillende metingen van de uitdijingssnelheid van het heelal?’
Volgens Skordis kan het nieuwe model onder andere getest worden met gedetailleerde metingen van zwaartekrachtsgolven, die tekenen van de twee extra velden zouden kunnen bevatten.
Eerder dit jaar wees onderzoek van Brouwer uit dat sterrenkundige waarnemingen beter te verklaren zijn met donkere materie dan met de MOND-theorie. Daarbij werd echter een ‘traditioneel’ MOND-model gebruikt. In datzelfde onderzoek werd de theorie van Verlinde op de proef gesteld. Ook die legde het toen af tegen donkere materie.
Al met al heeft donkere materie voorlopig nog een streepje voor op alle alternatieven. Maar zolang de duistere deeltjes niet ontdekt zijn, is voor Visser alles nog mogelijk. ‘Ik vind zelf dat meer mensen aan nieuwe theorieën moeten werken, omdat donkere materie een van de grootste onopgeloste problemen in de natuurkunde is’, zegt hij. Ook Brouwer staat open voor nieuwe benaderingen. ‘Zolang donkere materie niet gevonden wordt, moeten we alles proberen.’
