Wat als donkere materie slechts de onderlinge zwaartekracht van het hele universum is?
Een grondige studie van deze intrigerende gedachte
Donkere materie is een van de grootste mysteries van de moderne kosmologie en astrofysica. Waarnemingen, waaronder rotatiecurves van sterrenstelsels, zwaartekrachtslenzen en de vorming van grote structuren, tonen aan dat er een vorm van materie in het universum bestaat die niet met licht interageert – daarom wordt het "donkere" materie genoemd. Gebaseerd op de Newtoniaanse en Einsteiniaanse zwaartekrachtstheorieën, vormt zichtbare, "normale" materie (protonen, neutronen, elektronen) slechts ongeveer 5% van de totale energie- en materiebalans van het universum, terwijl donkere materie ongeveer 27% uitmaakt (de rest is donkere energie).
Maar wat als die ontbrekende massa helemaal niet bestaat? Misschien is het gewoon het effect van de onderlinge zwaartekracht van het universum zelf: kleine bijdragen van de zwaartekracht van alle sterren, planeten en gasdeeltjes die samen verschijnselen creëren die we verklaren als "donkere materie". Het is een intrigerende gedachte: zouden we het concept van donkere materie als een aparte component kunnen loslaten en alles kunnen verklaren door alleen de gezamenlijke zwaartekracht van zichtbare materie op grote schaal?
In dit artikel zullen we dit idee uitgebreid onderzoeken – we zullen de bewijzen voor het bestaan van donkere materie bekijken, de wetenschappelijke pogingen om dit fenomeen te verklaren en waarom de gedachte "het is gewoon zwaartekracht van alles wat bestaat" zowel aantrekkelijk als helaas onvoldoende is, gezien de gedetailleerde waarnemingsgegevens.
1. Bewijzen voor het bestaan van donkere materie
1.1 Rotatiecurves van sterrenstelsels
Een van de eerste duidelijke bewijzen voor het bestaan van donkere materie zijn de snelheidsmetingen van de banen van sterren aan de randen van sterrenstelsels. Volgens de Newtoniaanse mechanica zou de baansnelheid van sterren aan de rand van een sterrenstelsel moeten afnemen naarmate de afstand tot het centrum toeneemt – vergelijkbaar met hoe de snelheid van planeten in ons zonnestelsel afneemt naarmate ze verder van de zon verwijderd zijn.
Astronomen hebben echter opgemerkt dat sterren in de verste gebieden van spiraalstelsels veel sneller bewegen dan gewone berekeningen zouden voorspellen. Dit fenomeen, "platte rotatiecurves" genoemd, wijst erop dat er veel meer massa bestaat dan we kunnen vaststellen uit elektromagnetische straling (licht in verschillende golflengten). Als er in een sterrenstelsel alleen zichtbare materie zou zijn (sterren, gas, stof), zouden de banen van de verre sterren langzamer moeten zijn. De eenvoudigste verklaring is dus dat er een extra, onzichtbare massalaag is, namelijk donkere materie.
1.2 Zwaartekrachtlenzen
Zwaartekrachtlenzen zijn het vermogen van massieve objecten om licht te buigen, zoals beschreven in Einsteins algemene relativiteitstheorie. Bij het observeren van sterrenstelselclusters is te zien dat hun effect op het beeld van verder gelegen sterrenstelsels (lenzen) veel sterker is dan verklaard kan worden door alleen zichtbare materie. Om dit effect te verklaren is extra massa nodig – opnieuw wijst dit op donkere materie.
Een bekend voorbeeld hiervan is de zogenaamde Bullet Cluster-botsing, waarbij twee sterrenstelselclusters langs elkaar heen schoten. De hete gassen (zichtbaar in het röntgenbereik) werden afgeremd door interacties, terwijl de sterkste zwaartekrachtsinvloed verderop kwam te liggen. Dit suggereert dat een deel van de massa bijna niet elektromagnetisch interacteert (d.w.z. niet zoals gewone gassen aan elkaar blijft hangen), maar wel een significante zwaartekrachtsinvloed heeft.
1.3 Kosmologische waarnemingen en structuurvorming
Kijkend naar de kosmische achtergrondstraling (Engels: Cosmic Microwave Background, CMB) – de "echo" van de Oerknal, observeren wetenschappers dichtheidsongelijkheden. Juist deze ongelijkheden groeiden uiteindelijk uit tot de sterrenstelsels en clusters die we vandaag de dag zien. Computermodellen van de structuurvorming van het heelal tonen aan dat zonder donkere materie de ontwikkeling van zulke dichtheids"zaadjes" tot de huidige grootte buitengewoon moeilijk of zelfs onmogelijk te verklaren zou zijn. Zonder donkere materie zou het vormen van een zeer ongelijkmatige materiestructuur (sterrenstelsels, sterrenstelselclusters) uit het bijna homogene vroege heelal te traag verlopen.
2. Het voorgestelde idee: de gezamenlijke aantrekkingskracht van alle materie
De gedachte "misschien is donkere materie gewoon de onderlinge zwaartekracht van alles wat bestaat" lijkt op het eerste gezicht aantrekkelijk. Immers, zwaartekracht werkt over onbeperkte afstanden; hoe ver twee objecten in het heelal ook van elkaar verwijderd zijn, ze trekken elkaar toch aan. Als we ons een onvoorstelbaar aantal sterren en sterrenstelsels voorstellen, zou hun gezamenlijke aantrekkingskracht die extra massa kunnen verklaren.
2.1 Intuïtieve aantrekkingskracht
1. Eenheid in de verklaring van zwaartekracht: Dit lijkt gedeeltelijk een verenigende gedachte. In plaats van een nieuw type materie in te voeren, zouden we kunnen stellen dat we alleen het collectieve effect van de materie kennen die we al kennen, waarnemen.
2. Eenvoud: Veel mensen vinden het aantrekkelijk te denken dat er alleen barionische (gewone) materie bestaat en niets meer. Misschien hebben we tot nu toe gewoon de gezamenlijke zwaartekracht van al deze materie, vooral op grote schaal, onderschat.
Maar deze hypothese stuit op ernstige uitdagingen wanneer deze wordt toegepast op nauwkeurige waarnemingsgegevens en goed geteste natuurkundige theorieën. Laten we eens kijken waar de problemen zich voordoen.
3. Waarom de onderlinge zwaartekracht van alleen bekende materie niet voldoende is
3.1 Gewone versus gemodificeerde zwaartekracht
Pogingen om kosmische verschijnselen zonder donkere materie te verklaren vallen vaak binnen het domein van "gemodificeerde zwaartekracht"-theorieën. In plaats van een nieuw soort materie in te voeren, wordt voorgesteld de zwaartekrachtswetten op kosmische schaal aan te passen. Een van de bekendste voorbeelden is MOND (Modified Newtonian Dynamics). MOND stelt dat in gebieden met zeer lage versnellingen (zoals aan de randen van sterrenstelsels) de zwaartekracht anders werkt dan voorspeld door Newton of Einstein.
Als de algemene zwaartekracht van alle materie in het heelal de kracht zou zijn die ten onrechte donkere materie wordt genoemd, zou deze in wezen moeten werken als een soort gemodificeerde zwaartekrachtversie. Voorstanders van MOND en soortgelijke theorieën proberen de rotatiecurves van sterrenstelsels en andere verschijnselen te verklaren. Toch is MOND, hoewel het geschikt kan zijn voor sommige waarnemingen (zoals rotatiecurves van sterrenstelsels), moeilijk te rijmen met andere feiten (zoals de gravitatie-lensinggegevens van de Bullet Cluster).
Daarom zou elke theorie die stelt dat "donkere materie" alleen het resultaat is van de algemene zwaartekracht van gewone materie, niet alleen de rotatiecurves van sterrenstelsels, maar ook lensing, botsingen van clusters en de vorming van grote structuren succesvol moeten verklaren. Tot nu toe heeft geen enkele alternatieve theorie de hypothese van donkere materie volledig vervangen op een manier die aan alle waarnemingen voldoet.
3.2 Inverse kwadratenwet en kosmische schalen
De zwaartekracht neemt af met het kwadraat van de afstand (volgens Newtons universele gravitatiewet). Op kosmische schaal bestaat er een reële, zij het zwakke, aantrekkingskracht tussen verre sterrenstelsels, clusters en filamenten, maar deze kracht neemt vrij snel af met de afstand. Waarnemingsgegevens tonen aan dat alleen zichtbare (barionische) materie niet voldoende is en niet zo verdeeld is om de zwaartekrachteffecten te creëren die aan donkere materie worden toegeschreven.
Als we alle zichtbare materie in het heelal zouden optellen en de zwaartekrachtsinvloed op verschillende kosmische schalen zouden berekenen, zouden we nog steeds niet in staat zijn om de werkelijke rotatiecurves van sterrenstelsels, lensing-effecten of de snelheid van structuurvorming te reproduceren. Simpel gezegd, in een heelal dat alleen uit barionische materie bestaat, zou de zwaartekracht te zwak zijn om de waargenomen effecten te verklaren.
3.3 Bullet Cluster en de verdeling van de "verdwenen" massa
Bullet Cluster is een bijzonder duidelijk voorbeeld. Wanneer twee clusters van sterrenstelsels botsen, wordt de gewone materie (voornamelijk heet gas) afgeremd door interactie, terwijl het andere, bijna niet-interacterende deel van de massa (vermoedelijk donkere materie) succesvol door de botsing heen gaat zonder te vertragen. Gegevens van gravitatie-lensing tonen aan dat het grootste deel van de massa "wegliep" en achterbleef bij het gloeiende gas.
Als we de ontbrekende massa simpelweg zouden verklaren als alle materie in het heelal, zou men verwachten dat de massaverdeling meer overeenkomt met zichtbare materie (vertraagd door gas). Maar het waargenomen verschil tussen zichtbaar gas en zwaartekrachtactieve massa wijst erop dat er extra materie bestaat die niet elektromagnetisch interacteert – donkere materie.
4. "Zwaartekracht van alle materie" en kosmologie
4.1 Beperkingen van de Big Bang Nucleosynthese
In het vroege heelal werden de lichtste chemische elementen gevormd – waterstof, helium en een beetje lithium. Dit proces wordt Big Bang Nucleosynthese genoemd (Engels: Big Bang Nucleosynthesis, BBN). De overvloed aan lichte elementen hangt gevoelig af van de dichtheid van alle baryonische (normale) materie. Door de kosmische achtergrondstraling te observeren en de verhoudingen van deze elementen te bestuderen, blijkt dat er niet te veel baryonische materie in het heelal kan zijn – anders zou dit in tegenspraak zijn met de waargenomen hoeveelheden helium of deuterium. Kortom, BBN toont aan dat normale materie ongeveer 5% van de energie- en materiebalans van het heelal uitmaakt.
4.2 Metingen van kosmische achtergrondstraling in microgolven
Hoge-resolutiegegevens verkregen van satellieten zoals COBE, WMAP en Planck hebben kosmologen in staat gesteld om de temperatuurfluctuaties van de CMB uiterst nauwkeurig te bepalen. De aard van deze fluctuaties, vooral hun hoekige vermogensspectrum, maakt het mogelijk om de dichtheid van verschillende componenten (donkere materie, donkere energie en baryonische materie) te schatten. Deze metingen komen zeer goed overeen met het kosmologische model waarin donkere materie een aparte, niet-baryonische component is. Als het zwaartekrachteffect dat we momenteel aan donkere materie toeschrijven slechts de gezamenlijke aantrekkingskracht van zichtbare materie was, zou het CMB-vermogen spectrum er heel anders uitzien.
5. Is er een andere manier om te zeggen dat donkere materie slechts "zwaartekracht" is?
Het idee "wat als donkere materie eigenlijk slechts een imperfectie in de zwaartekrachtswetten is?" heeft geleid tot verschillende gemodificeerde zwaartekrachttheorieën. Deze stellen voor om Einsteins algemene relativiteitstheorie of Newtoniaanse dynamica op galactische en grotere schaal aan te passen, soms met een vrij complexe wiskundige basis. Dergelijke theorieën proberen de rotatiecurves van sterrenstelsels en lensvorming in clusters te verklaren zonder extra, onzichtbare deeltjes.
Belangrijkste uitdagingen voor gemodificeerde zwaartekrachttheorieën:
- Aanpassing: De zwaartekracht moet op galactische schaal worden aangepast, maar tegelijkertijd in overeenstemming blijven met waarnemingen van het zonnestelsel en de algemene relativiteitstheorie, die door talloze experimenten zeer nauwkeurig is bevestigd.
- Structuurovorming: Theorieën moeten niet alleen de rotatiecurves van sterrenstelsels verklaren, maar ook de vorming van structuren in het heelal vanaf de vroege tijden tot heden, in overeenstemming met waarnemingen uit verschillende tijdperken.
- Relativistische effecten: Bij het wijzigen van de zwaartekrachtswet is het noodzakelijk geen tegenstrijdigheden te veroorzaken met verschijnselen zoals zwaartekrachtslenzen of de gegevens van de Bullet Cluster.
Hoewel "Lambda Koude Donkere Materie" (Engels: ΛCDM) – het huidige standaard kosmologische model waarin zowel donkere materie als donkere energie (Λ) bestaan – enkele tekortkomingen heeft, is tot nu toe geen enkele theorie van gemodificeerde zwaartekracht erin geslaagd alle waarnemingen zo succesvol te verklaren als ΛCDM.
6. Conclusie
Het idee dat donkere materie gewoon de onderlinge zwaartekracht van alle materie in het universum zou kunnen zijn, is interessant. Het sluit aan bij de wens om een eenvoudigere verklaring te vinden die geen nieuwe, onzichtbare materieconcepten vereist. Dit resoneert in wezen met de oude wetenschappelijke en filosofische opvatting dat men met Occam's scheermes overbodige hypothesen moet vermijden.
Maar decennia aan astronomische en kosmologische waarnemingen tonen aan dat alleen de bekende hoeveelheid materie het probleem van de "ontbrekende massa" niet verklaart. Rotatiecurves van sterrenstelsels, gegevens over zwaartekrachtslenzen, de vormingssnelheden van grote structuren, metingen van de kosmische achtergrondstraling en beperkingen van de nucleosynthese van de oerknal – ze wijzen allemaal op het bestaan van een materietype dat zonder en naast de materie die we kennen bestaat. Bovendien tonen de Bullet Cluster en soortgelijke waarnemingen aan dat onzichtbare massa zich anders gedraagt dan gewone materie (bijvoorbeeld door nauwelijks deel te nemen aan andere, niet-zwaartekrachtinteracties).
Kosmologie is echter een voortdurend evoluerend wetenschapsgebied. Nieuwe waarnemingen – van zwaartekrachtsgolven tot nauwkeurigere kaarten van de verdeling van sterrenstelsels en nog betere CMB-analyses – verbeteren voortdurend ons begrip. Tot nu toe wijzen de meeste waarnemingsgegevens erop dat donkere materie inderdaad bestaat als een aparte, niet-baryonische materievorm. Maar een open geest en alertheid voor onverwachte gegevens blijven erg belangrijk – wetenschap gaat vooruit wanneer hypothesen worden getest en aangepast als ze niet overeenkomen met nieuwe feiten.
Momenteel ondersteunen waarnemingen het meest het idee dat donkere materie een echte, fysieke component is. Toch is het stellen van de vraag "bestaat er misschien toch een alternatief?" het koesteren van een wetenschappelijke nieuwsgierigheid die vooral nodig is om de mysteries van het universum te begrijpen.
Verdere lectuur
- Donkere materie in het universum – Bahcall, N. A., Proceedings of the Royal Society A, 1999.
- De Bullet Cluster als bewijs tegen gemodificeerde zwaartekracht – publicaties van waarnemingen door meerdere auteurs, zoals Clowe et al.
- Testen van MOND-voorspellingen – diverse onderzoeken naar rotatiecurves van sterrenstelsels (bijvoorbeeld het werk van Stacy McGaugh en mede-auteurs).
- Waarnemingen van de kosmologische parameters – gegevens van de Planck, WMAP, COBE missies.