De alternatieve zwaartekrachttheorie van Erik Verlinde is op de pijnbank gelegd. Onderzoek naar 259.000 sterrenstelsels wijst op een verschil dat zijn theorie nog niet kan verklaren, en donkere materie wel.
De meeste fysici gaan ervan uit dat ruim 80 procent van alle materie in het heelal bestaat uit donkere materie. Dit spul is echter nog nooit gemeten; niet rechtstreeks uit het heelal en ook niet in deeltjesversnellers, waarin geprobeerd wordt de duistere deeltjes na te maken. Het enige wat we erover weten, is hoe donkere materie via de zwaartekracht de beweging van sterren en sterrenstelsels beïnvloedt.
Sommige natuurkundigen denken echter dat donkere materie helemaal niet bestaat – of in elk geval niet in de mate die nu verondersteld wordt. Zij stellen dat de zwaartekracht zich bij grootschalige processen in het heelal anders gedraagt dan normaal. Een juiste aanpassing van de zwaartekrachttheorie zou dan de waargenomen bewegingseffecten verklaren. De internationaal bekendste alternatieve theorie over zwaartekracht is de MOND-theorie, wat staat voor MOdified Newtonian Dynamics.
Extra zwaartekracht
In Nederland is de bekendste uitdager fysicus Erik Verlinde van de Universiteit van Amsterdam (UvA). Hij publiceerde in 2016 een eigen alternatieve theorie. Daarin is de zwaartekracht een ‘emergente kracht’, die voortkomt uit onderliggende quantumverschijnselen.
De publicatie van Verlinde werd alom geprezen, maar bleek ook moeilijk te testen. Eind 2016 vergeleek sterrenkundige Margot Brouwer (destijds werkzaam aan de Universiteit Leiden, nu aan de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) en de UvA) de theorie als eerste met waarnemingen van sterrenstelsels. Verlindes theorie doorstond die test, maar ook met donkere materie bleken de waarnemingen goed te verklaren.
Nu heeft Brouwer het een stuk groter aangepakt, zo is te lezen in het wetenschappelijk tijdschrift Astronomy & Astrophysics. Met een internationaal team van natuur- en sterrenkundigen, onder wie Verlinde zelf, bestudeerde ze maar liefst 259.000 sterrenstelsels. De onderzoekers bekeken hoeveel zwaartekracht deze stelsels hadden boven op de hoeveelheid zwaartekracht die je op basis van de zichtbare materie verwacht. Deze ‘extra zwaartekracht’ vergeleek het team met voorspellingen van vier theorieën: de donkeremateriemodellen MICE en BAHAMAS, de MOND-theorie en de theorie van Verlinde.
Verlenging
De metingen kwamen in eerste instantie met name overeen met de MICE-theorie. 1-0 voor donkere materie. Maar ook de twee alternatieve zwaartekrachttheorieën hielden goed stand. 1-1 dus; een verlenging was nodig.
De onderzoekers maakten vervolgens in de metingen onderscheid tussen twee soorten sterrenstelsels: jonge, spiraalvormige stelsels en oude, elliptische stelsels. Beide soorten stelsels ontstaan op verschillende manieren. Om die reden hebben ze volgens donkeremateriemodellen een andere verhouding tussen donkere en zichtbare materie, wat de hoeveelheid extra zwaartekracht beïnvloedt. Volgens alternatieve zwaartekrachttheorieën zou er daarentegen geen verschil moeten bestaan tussen beide typen stelsels.
De onderzoekers maten wel degelijk duidelijke verschillen. ‘Dat zou een sterke aanwijzing voor donkere materie kunnen zijn’, zegt Brouwer in een artikel op The Quantum Universe.
Gaswolken
Winnende doelpunt voor donkere materie? Dat nog niet. De verschillen kunnen ook op een andere manier verklaard worden: via gaswolken. Als de oude elliptische stelsels veel meer gas om zich heen hebben verzameld dan de jonge spiraalstelsels, heeft dat eenzelfde effect als het voorspelde overschot aan donkere materie.
Dergelijke ijle gaswolken zijn tot dusver nauwelijks meetbaar. ‘We hebben als waarnemers het punt bereikt waar we de hoeveelheid extra zwaartekracht rondom sterrenstelsels nauwkeuriger kunnen meten dan hun hoeveelheid zichtbare materie’, zegt onderzoeker Edwin Valentijn (RUG). ‘De tegenstrijdige conclusie is dat we de aanwezigheid van normale materie in de vorm van heet gas rond sterrenstelsels nader zullen moeten onderzoeken, voordat we met toekomstige telescopen als Euclid het mysterie van donkere materie definitief op kunnen lossen.’
Schijnbare donkere materie
Verlinde staat dus op achterstand, maar is nog niet verslagen. En zelfs als de gaswolken hem niet te hulp zullen schieten, dicht hij zichzelf nog alle kans toe. ‘Mijn huidige model is alleen toepasbaar op statische, geïsoleerde, bolvormige sterrenstelsels, en kan daarmee inderdaad de verschillende typen sterrenstelsels nog niet goed van elkaar onderscheiden’, zegt hij. ‘Ik zie deze resultaten dan ook als een uitdaging en inspiratie om aan de slag te gaan met een asymmetrische, dynamische versie van mijn theorie, waarin ook meegenomen kan worden dat sterrenstelsels met een verschillende vorm en vormingsgeschiedenis een verschillende hoeveelheid ‘schijnbare donkere materie’ hebben.’
Al met al is de strijd dus nog niet gestreden. Maar het onderzoek heeft ons wel een stuk dichter bij het laatste fluitsignaal gebracht. Als het verschil tussen de twee typen stelsels namelijk standhoudt, kunnen veel alternatieve zwaartekrachttheorieën in de prullenbak – waaronder een hoop varianten van de MOND-theorie.
Zwaartekrachtlenzen
Hoe meet je de zwaartekracht van maar liefst 259.000 sterrenstelsels? Dat deden de onderzoekers via de KiloDegree Survey (KiDS) van de Very Large Telescope in Chili. In dit project wordt al tien jaar lang gemeten hoe sterrenstelsels het licht van achterliggende sterren doen afbuigen. Via deze ‘zwaartekrachtlenzen’ is de totale zwaartekracht van het sterrenstelsel uit te rekenen. Deze vergeleken de onderzoekers met de zwaartekracht die je op basis van de zichtbare materie verwacht. De resulterende ‘extra zwaartekracht’ is een maat voor de hoeveelheid donkere materie – of voor de mate waarin je de standaardtheorie over zwaartekracht moet aanpassen.
