Categorieën
Artikelen

Een alternatief voor donkere materie slaagt voor een kritische test | Quanta Magazine

Gemodificeerde zwaartekrachttheorieën hebben nooit het eerste licht van het universum kunnen beschrijven. Een nieuwe formulering doet dat wel.

Al tientallen jaren voert een groep rebellerende theoretici oorlog met een van de kernconcepten van de kosmologie: het idee dat een onzichtbare, immateriële vorm van materie de primaire structuur van het universum vormt. Deze donkere materie, die zwaarder lijkt te wegen dan de dingen waarvan we 5-op-1 zijn gemaakt, is verantwoordelijk voor een groot aantal waarnemingen: de nauwe samenhang van sterrenstelsels en pakjes sterrenstelsels, de manier waarop licht van verre sterrenstelsels zal buigen op weg naar terrestrische telescopen en de gevlekte structuur van het vroege heelal, om er maar een paar te noemen


Een artikel van:

Charlie Wood

— Lees op Quantum Magazine

Een weergave van het centrum van de Melkweg. Theorieën van gemodificeerde zwaartekracht hebben het moeilijk gehad om het universum te beschrijven van relatief kleine schalen zoals deze helemaal tot aan de schaal van het universum als geheel.


De potentiële revolutionairen zoeken een alternatief kosmisch recept. In plaats van donkere materie vervangen ze een subtiel gewijzigde zwaartekracht. Maar pogingen om hun ruwe idee in precieze wiskundige taal te vertalen, zijn altijd in strijd geweest met ten minste één belangrijke waarneming. Sommige formuleringen hebben de juiste sterrenstelsels, sommige hebben de verdraaiing van lichtstralen juist, maar geen enkele heeft het meest kogelvrije bewijs van donkere materie doorboord: nauwkeurige kaarten van oud licht, bekend als de kosmische microgolfachtergrond (CMB). ‘Een theorie moet het heel goed doen om het met deze gegevens eens te zijn’, zegt Ruth Durrer, een kosmoloog aan de Universiteit van Genève. ‘Dit is het knelpunt.’

Twee theoretici zeggen dat ze eindelijk een alternatieve theorie van de zwaartekracht voorbij dat obstakel hebben geperst. Hun werk, dat eind juni online is geplaatst en nog niet door peer review is gegaan, gebruikt een getweakte versie van Einsteins zwaartekrachttheorie om een iconische kaart van het vroege universum te reproduceren, een prestatie die zelfs sommige rebellen vreesden onmogelijk te zijn. “Al 15 jaar liggen we gewoon dood in het water”, zegt Stacy McGaugh, een astronoom aan de Case Western Reserve University en al lang voorstander van theorieën met aangepaste zwaartekracht die niet betrokken waren bij het onderzoek. “Het is een enorme sprong voorwaarts.”

Anderen zijn het erover eens dat de voorlopige resultaten van het model veelbelovend lijken. “Het is een beetje barok, maar aangezien niets anders tot nu toe heeft gewerkt, ben ik nog steeds onder de indruk dat het lijkt te werken”, zei Durrer.

De meeste kosmologen geven nog steeds de voorkeur aan donkere materie als de eenvoudigste van de twee paradigma’s, maar ze zijn het erover eens dat de nieuwe theorie intrigerend kan zijn – als deze echt kan voldoen aan aanvullende kosmologische waarnemingen. ‘Dat zou een grote barrière zijn’, zegt Dan Hooper, astrofysicus aan de Universiteit van Chicago. ‘Dat zou best interessant zijn.’

De naald inrijgen

De uitdagingen voor alternatieve zwaartekrachttheorieën, gezamenlijk bekend als gemodificeerde Newtoniaanse dynamica of MOND, werden uiteengezet in een aparte voordruk die toevallig de dag na de verschijning van het nieuwe model werd gepubliceerd. De belangrijkste onder hen is het herschikken van de leidende rol die donkere materie speelt bij het samenbrengen van het universum, zoals beschreven door een bekend kosmologisch model dat bekend staat als Lambda koude donkere materie (LCDM).

Simpel gezegd, LCDM zegt dat we hier niet zouden zijn zonder donkere materie. Het kinderuniversum was zo glad dat de aantrekkingskracht van gewone materie alleen niet voldoende zou zijn geweest om deeltjes in sterrenstelsels, sterren en planeten te verzamelen. Voer donkere materiedeeltjes in. LCDM gebruikt hun collectieve massa om normale materie te modelleren in de moderne kosmische structuren die door astronomen zijn bestudeerd.

LCDM werd gedeeltelijk het standaardmodel van de kosmologie omdat het zo precies overeenkomt met de CMB. Deze kaart van het vroege universum toont bijna onmerkbaar dikke en dunne plekken die door de kosmos kabbelen. Meer recentelijk hebben onderzoekers de oriëntatie of polarisatie van het CMB-licht nauwkeuriger kunnen meten. Elke succesvolle kosmologie zal een uitgebreide geschiedenis van de kosmos moeten vaststellen door deze drie waarnemingen te reproduceren: de temperatuur van de CMB, de polarisatie van de CMB en de huidige verdeling van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels.


Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine; bron: doi: 1303.5076v3


In de tweede voordruk kwantificeerden Kris Pardo, astrofysicus bij het Jet Propulsion Laboratory van NASA, en David Spergel, directeur van het Center for Computational Astrophysics bij het Flatiron Institute, hoe moeilijk het zou zijn voor een alternatieve theorie van de zwaartekracht om te concurreren met één bepaald kenmerk van LCDM. (Quanta Magazine is een redactionele onafhankelijke publicatie, gesponsord door de Simons Foundation, die ook het Flatiron Institute financiert.) Wanneer dichtere zones van donkere materie materie naar zich toe sleepten en uiteindelijk sterrenstelsels en sterren vormden, zou dit grotendeels – maar niet helemaal – zijn uitgewassen de rimpelingen bewegen aanvankelijk door de materie. Door de polarisatie van de CMB te vergelijken met de huidige materiepatronen, kunnen kosmologen zo’n effect netjes meten: rimpelresten die 100 keer kleiner zijn dan de golvingen die in de CMB worden gezien, blijven vandaag bestaan.

Het opnieuw creëren van deze en andere functies zonder het titulaire ingrediënt van LCDM, toonde Spergel aan, vereist de beste theoretische naalddraad. “We hebben het bestaan van al deze [gemodificeerde zwaartekracht theorieën] niet weerlegd”, zei hij. ‘Maar elke alternatieve theorie moet door deze hoepels springen.’

Dark Dust

Tom Złosnik en Constantinos Skordis, theoretici van het Central European Institute for Cosmology and Fundamental Physics, geloven dat ze dat precies hebben gedaan – hoewel op een manier die MOND-sceptici en fans zou kunnen verrassen. Ze slaagden erin een zwaartekrachttheorie te construeren die een ingrediënt bevat dat precies werkt als een onzichtbare vorm van materie op kosmische schalen, waardoor de grens tussen de donkere materie en MOND-paradigma’s vervaagt.

Hun theorie, RelMOND genaamd, voegt aan de vergelijkingen van algemene relativiteit een alom aanwezig veld toe dat zich in verschillende arena’s anders gedraagt. Op de grootste schalen, waar het heelal merkbaar uitrekt terwijl het uitzet, gedraagt het veld zich als onzichtbare materie. In deze modus, die Złosnik ‘donker stof’ noemt, had het veld het zichtbare universum kunnen vormen, net zoals donkere materie dat zou doen. Het model reproduceert trouw de temperatuur van de CMB – het resultaat dat het duo in hun voordruk publiceerde – en Złosnik zegt dat het ook kan overeenkomen met het polarisatiespectrum en de materieverdeling, hoewel ze deze plots nog niet hebben gepubliceerd.

RelMOND] kan niet slechter doen dan LCDM, ”zei Złosnik, omdat het die theorie voor het heelal als geheel nabootst.

Maar als we inzoomen op een sterrenstelsel, waar het weefsel van de ruimte nogal stilstaat, werkt het veld op een manier die trouw is aan zijn MOND-wortels: het verstrengelt zichzelf met het standaard zwaartekrachtveld en versterkt het net genoeg om een sterrenstelsel bij elkaar te houden zonder extra materie. (De onderzoekers weten nog niet precies hoe het veld werkt voor grotere clusters van sterrenstelsels, een meerjarige MOND-pijnlijke plek, en ze suggereren dat deze tussenliggende schaal een goede plek zou kunnen zijn om te zoeken naar observatie-aanwijzingen die de theorie zouden kunnen onderscheiden.)

Ondanks de wiskundige prestatie van het paar, blijft donkere materie de eenvoudigere theorie. Voor het construeren van het nieuwe veld zijn vier nieuwe bewegende wiskundige delen nodig, terwijl LCDM donkere materie met slechts één verwerkt. Hooper vergelijkt de situatie met een rechercheur die debatteert of de persoon op een plaats van moord de moordenaar is, of dat ze zijn ingelijst door de CIA. Zelfs als het beschikbare bewijsmateriaal overeenkomt met beide theorieën, vereist men minder een sprong.

Desalniettemin schroomt hij anderen niet om te werken aan wat hij beschouwt als een kosmologische samenzweringstheorie. “Ik ben blij dat slimme mensen aan MOND denken”, zei hij.

Złosnik hoopt dat donkere materie snel zal worden ontdekt, maar in de tussentijd ziet hij zijn werk aan MOND meer als een oefening in het oprekken van de algemene relativiteit tot het uiterste dan als een volledige aanval op het kosmologische establishment. Voor nu is hij gewoon blij dat hij heeft laten zien dat de wiskunde van de zwaartekracht vreemdere verschijnselen kan opvangen dan velen dachten.

“Het gevaar bestaat dat je iets nuttigs misloopt door aan te nemen dat het niet mogelijk is, ‘zei Złosnik. “Het kan de weg wijzen naar iets dat meer succes heeft.”

RELATED:


  1. Dark Matter Experiment Finds Unexplained Signal
  2. How Ancient Light Reveals the Universe’s Contents
  3. How Superfluid Dark Matter Mimics an Old Idea About Gravity

Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s