Kosmische gevechten: zich verdiepen in de strijd tussen donkere materie en gemodificeerde zwaartekracht – Physics World

Stel je voor dat je in één klap, met een kleine aanpassing aan de wetten van de zwaartekracht, de behoefte aan alle donkere materie in het universum zou kunnen wegnemen. Je zou jezelf ontdoen van een hinderlijk deeltje waarvan slechts wordt aangenomen dat het bestaat en dat tot nu toe de ontdekking heeft getrotseerd. In plaats daarvan zou je het vervangen door een elegante theorie die het fundamentele werk van Isaac Newton en Albert Einstein wijzigt.

Dat is tenminste de droom van de gemodificeerde Newtoniaanse dynamiek, of MOND. Ontwikkeld door een Israëlische natuurkundige Mordehai Milgrom en in Mexico geboren Amerikaans-Israëlische theoreticus Jacob Bekenstein begin jaren tachtig was het hun tegengif voor het populaire ‘donkere materie’-paradigma. Voor hen was donkere materie een onnodig en onhandig onderdeel van de kosmologie, wat, als het echt bestaat, betekent dat 1980% van de materie in de kosmos onzichtbaar is.

In de veertig jaar sinds de uitvinding ervan worden de prestaties van MOND nog steeds overschaduwd door de liefdesaffaire van de kosmologie met donkere materie. MOND heeft ook moeite gehad om verschijnselen op grotere en kleinere schaal dan individuele sterrenstelsels te verklaren. Is MOND dus toch iets dat we serieus moeten nemen?

Nieuwsgierige rondingen

Ons verhaal begint aan het eind van de jaren zestig, en in de jaren zeventig realiseerden de Amerikaanse astronomen Vera Rubin en Kent Ford zich dat sterren aan de rand van sterrenstelsels net zo snel in een baan om de aarde draaiden als sterren dicht bij het centrum, wat schijnbaar in strijd was met de wetten van Johannes Kepler over de baanbeweging. . Ze illustreerden dit aan de hand van de rotatiecurven van de sterrenstelsels, die feitelijk slechts een grafiek waren van de baansnelheid versus de straal vanuit het centrum. In plaats van een negatieve helling te tonen, waren de grafieken een vlakke lijn. Ergens was er wat extra zwaartekracht die die buitenste sterren rondtrok.

Donkere materie – een onzichtbare vorm van materie die zo overvloedig aanwezig is dat het de dominante zwaartekracht in het universum zou zijn – was de populaire oplossing. Tegenwoordig is het concept van donkere materie nauw verweven in ons standaardmodel van kosmologie en inherent aan ons begrip van hoe structuur in het universum ontstaat.

Het beeld dat donkere materie vormt is netjes, maar niet helemaal netjes genoeg voor een kleine gemeenschap van natuurkundigen en astronomen die de kosmologie van donkere materie hebben gemeden en in plaats daarvan MOND hebben overgenomen. Sterker nog, ze hebben overvloedig bewijs voor hun zaak. In 2016 Stacy McGaugh van de Case Western Reserve Universiteit heeft de rotatiecurven van 153 sterrenstelsels gemeten (Phys. Lett. 117 201101) en ontdekte met een ongekende nauwkeurigheid dat hun rotatiecurven worden verklaard door MOND, zonder de noodzaak om hun toevlucht te nemen tot een halo van donkere materie rond elk sterrenstelsel. Daarmee rechtvaardigde hij de voorspelling van Milgrom.

“Ik zou beweren dat MOND deze dingen beter verklaart dan donkere materie, en de reden daarvoor is de voorspellende kracht ervan”, zegt McGaugh – een voormalig onderzoeker naar donkere materie die nu pleitbezorger van MOND is, na een openbaring waarin hij van kant wisselde. Hij doelt op het feit dat als je de zichtbare massa (alle sterren en gassen) van een sterrenstelsel kent, je door MOND toe te passen kunt berekenen wat de rotatiesnelheden zullen zijn. In het donkere-materie-paradigma kun je de snelheden niet voorspellen op basis van de aanwezigheid van donkere materie. In plaats daarvan moet je de rotatiecurve van het sterrenstelsel meten om af te leiden hoeveel donkere materie er aanwezig is. McGaugh beweert dat dit een cirkelredenering is en geen bewijs van donkere materie.

Hoe de zwaartekracht te wijzigen

Het aanpassen van de wetten van de zwaartekracht is misschien een gruwel voor veel natuurkundigen – dat is de kracht van Newton en Einstein – maar het is niet zo bizar om te doen. We leven tenslotte in een mysterieus universum, vol wetenschappelijke raadsels. Wat is de donkere energie die verantwoordelijk is voor de versnelling van de uitdijing van het heelal? Waarom is er spanning in verschillende metingen van de uitdijingssnelheid van het heelal? Hoe ontstaan ​​sterrenstelsels zo snel in het vroege heelal, zoals blijkt uit de... Hubble en James Webb-ruimtetelescopen? Onderzoekers kijken steeds vaker naar aangepaste zwaartekrachttheorieën om antwoorden te geven, maar niet alle aangepaste zwaartekrachtmodellen zijn gelijk.

Wat elke theorie over gemodificeerde zwaartekracht, inclusief MOND, moet doen, is verklaren waarom deze op alledaagse schaal voor ons verborgen blijft en alleen onder bepaalde omstandigheden in actie komt.

Tessa Bakker, een kosmoloog en gemodificeerde zwaartekrachtgoeroe aan de Universiteit van Portsmouth in Groot-Brittannië, heeft haar carrière opgebouwd met het testen van de wetten van de zwaartekracht en het zoeken naar aanpassingen, in haar geval om te proberen donkere energie te verklaren. “MOND, een voorbeeld van een aangepaste zwaartekrachttheorie, is ongebruikelijk omdat het een theorie is die donkere materie probeert te vervangen”, legt Baker uit. “De meeste theorieën over gemodificeerde zwaartekracht doen dat niet.”

Wat elke theorie over gemodificeerde zwaartekracht, inclusief MOND, moet doen, is verklaren waarom deze op alledaagse schaal voor ons verborgen blijft en alleen onder bepaalde omstandigheden in actie komt. Natuurkundigen noemen het punt waarop deze overgang plaatsvindt ‘screening’, en het is allemaal een schaalprobleem.

“Het lastige is: hoe verberg je de wijziging op schalen waarvan we weten dat de algemene relativiteitstheorie heel goed werkt?” vraagt ​​Bakker. De voor de hand liggende plek om te beginnen is misschien de vraag of de zwaartekracht varieert op afstandsschaal, zodat de zwaartekracht in ons zonnestelsel afneemt volgens de regel van het omgekeerde kwadraat, maar op de schaal van clusters van sterrenstelsels in een ander tempo afneemt. “Dit werkt categorisch niet”, zegt McGaugh, eraan toevoegend dat er andere schalen zijn die wel werken.

Er is bijvoorbeeld een theorie van gemodificeerde zwaartekracht waar Baker mee werkt, bekend als f(R) zwaartekracht – generaliseert Einsteins algemene relativiteitstheorie. Onder f(R), schakelt de zwaartekracht het donkere-energie-effect in in gebieden in de ruimte waar de dichtheid van materie laag genoeg wordt, zoals in kosmische leegtes. Voor MOND is de schaal van het screeningmechanisme versnelling. Hieronder wordt een karakteristieke zwaartekrachtversnelling genoemd a₀ – dat is ongeveer 0.1 nanometer per seconde in het kwadraat – werkt de zwaartekracht anders.

In plaats van de regel van het omgekeerde kwadraat te volgen, bij versnellingen hieronder a₀ de zwaartekracht neemt langzamer af, door het omgekeerde van de afstand. Dus iets dat op vier keer de afstand in een baan om de aarde draait, zou een kwart van de zwaartekracht voelen, en niet een 16e. De lage zwaartekrachtversnellingen die hiervoor nodig zijn, zijn precies die welke sterren aan de rand van sterrenstelsels ervaren. “Dus MOND schakelt die aanpassingen bij lage acceleraties op dezelfde manier in f(R) de zwaartekracht schakelt zijn aanpassingen in bij lage dichtheden”, legt Baker uit.

Conflict en controverse

MOND blinkt uit in individuele sterrenstelsels, maar afhankelijk van met wie je spreekt, doet het het misschien niet zo goed in andere omgevingen. En één mislukking in het bijzonder heeft een van de trouwste aanhangers van MOND al tegen de theorie doen keren.

Een ideaal laboratorium om MOND te testen is er een waar naar verwachting niet in grote hoeveelheden donkere materie aanwezig zal zijn, wat betekent dat eventuele zwaartekrachtafwijkingen gewoon voortkomen uit de wetten van de zwaartekracht zelf. Brede dubbelstersystemen zijn zo'n omgeving die bestaat uit paren sterren van 500 AU of meer uit elkaar (waar één astronomische eenheid of AU is de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon). Bij zulke grote afstanden is het zwaartekrachtveld dat door elke ster wordt gevoeld zwak.

Dankzij de De astrometrische ruimtemissie Gaia van het European Space Agencyzijn teams van MOND-onderzoekers nu in staat geweest de bewegingen van brede dubbelsterren te meten op zoek naar bewijs van MOND. De resultaten waren controversieel en tegenstrijdig in termen van het voortbestaan ​​van MOND als geldige theorie.

Eén team, onder leiding van Kyu-Hyun Chae van de Sejong-universiteit in Seoul, voerde een uitgebreide analyse uit van 26,500 brede dubbelsterren en vond orbitale bewegingen die overeenkwamen met de voorspellingen van MOND (ApJ 952 128). Dit werd ondersteund door eerder werk van Xavier Hernandez van de Universidad Nacional Autónoma de México, die prees hoe “opwindend” Chae's resultaat was. Maar niet iedereen is overtuigd.

Aan de Universiteit van St. Andrews in Groot-Brittannië Indranil Banik werkte aan zijn eigen zesjarige project om MOND in brede binaire bestanden te meten. Hij had zijn plannen gepubliceerd voordat hij zijn metingen ging doen, waarbij hij ervoor zorgde dat hij de tijd nam om met andere experts te praten en feedback te krijgen, en zijn methode zo verfijnde dat iedereen het erover eens kon zijn. Banik verwachtte volledig dat zijn resultaten zouden aantonen dat MOND echt was. “Ik had uiteraard verwacht dat het MOND-scenario zou werken”, zegt hij. “Het was dus inderdaad een hele grote verrassing toen dat niet gebeurde.”

In een artikel dat eind 2023 werd gepubliceerd, vond Banik helemaal geen afwijking van de standaard Newtoniaanse zwaartekracht (Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society 10.1093/mnras/stad3393). De resultaten waren zo'n zware klap voor hem dat het de wereld van Banik deed schudden, en hij verklaarde publiekelijk dat MOND ongelijk had – wat hem enige kritiek opleverde. Maar waarom zouden zijn resultaten zo anders zijn dan die van Chae en Hernandez? “Zeker, ze beweren nog steeds dat er iets is”, zegt Banik. Hij staat echter sceptisch tegenover hun resultaten, daarbij verwijzend naar verschillen in de manier waarop zij met onzekerheden in hun metingen omgingen.

Deze twistpunten zijn zeer technisch van aard, dus het is misschien geen totale verrassing dat er tot verschillende interpretaties is gekomen. Voor buitenstaanders is het inderdaad moeilijk om te weten wie gelijk heeft en wie niet. "Het is heel moeilijk om te weten hoe je dit moet beoordelen", geeft McGaugh toe. “Ik voel me niet eens helemaal gekwalificeerd om op deze schaal te oordelen, en ik ben veel beter gekwalificeerd dan de meeste mensen!”

Het zijn niet alleen brede binaire bestanden waarin Banik MOND ziet falen. Hij haalt ook het geval van ons eigen zonnestelsel aan. Een van de centrale principes van MOND is het fenomeen van het ‘externe veldeffect’, waarbij het algehele zwaartekrachtveld van het Melkwegstelsel zichzelf kan indrukken in kleinere systemen, zoals ons zonnestelsel. We zouden deze afdruk moeten zien, vooral op de banen van de buitenplaneten. Zoeken naar dit effect via radiotrackinggegevens van NASA's Cassini-ruimtevaartuig, dat tussen 2004 en 2017 in een baan om Saturnus draaide, heeft geen bewijs gevonden voor het externe veldeffect op de baan van Saturnus.

“Mensen beginnen te beseffen dat er geen manier is om MOND te verenigen met het niet detecteren van effecten in de Cassini-gegevens en dat MOND niet zal werken op een schaal van minder dan een lichtjaar”, zegt Banik. Als Banik gelijk heeft, komt MOND op een zeer slechte plek terecht – maar het is niet het enige slagveld waar MOND's oorlog tegen de donkere materie wordt uitgevochten.

Clusterraadsels

In 2006 bracht NASA een spectaculaire opname van twee botsende clusters van sterrenstelsels, in hun gecombineerde vorm de Bullet Cluster genoemd. De Hubble-ruimtetelescoop leverde beelden met hoge resolutie op van de locatie van de sterrenstelsels, terwijl röntgenwaarnemingen van het hete gas tussen die sterrenstelsels afkomstig waren van het Chandra X-ray Observatory. Op basis van de locaties van de sterrenstelsels en het gas, evenals de mate van zwaartekrachtlensvorming als materie in de gebogen ruimte van de cluster, konden wetenschappers de locatie van de donkere materie in de cluster berekenen.

“Er werd beweerd dat de Bullet Cluster het bestaan ​​van donkere materie bevestigde, wat gebruikt is om krachtig tegen MOND te pleiten”, zegt hij Pavel Kroupa, een astrofysicus aan de Universiteit van Bonn. “Nou, het blijkt dat de situatie precies het tegenovergestelde is.”

Kroupa is woest in zijn enthousiasme voor MOND en heeft zijn zinnen gezet op het verkennen ervan op de grootst mogelijke structuurschaal: grootschalige clusters van sterrenstelsels. In zijn vizier bevindt zich niets minder dan het standaardmodel van de kosmologie, in de volksmond bekend als ‘lambda-CDM’ of ΛCDM (Λ verwijst naar de kosmologische constante, of de donkere energiecomponent van het universum, en CDM is koude donkere materie).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-3.jpg" data-caption="oer- Een ESA-artiestenimpressie van hoe het zeer vroege heelal (minder dan 1 miljard jaar oud) eruit zou kunnen hebben gezien toen het een abrupte uitbarsting van stervorming doormaakte. (Met dank aan: A Schaller/STScI)” title=”Klik om afbeelding in pop-up te openen” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the- strijd-tussen-donkere-materie-en-gemodificeerde-zwaartekrachtfysica-wereld-3.jpg”>

Om te beginnen gelooft Kroupa dat zulke enorme clusters van sterrenstelsels niet eens zouden mogen bestaan, laat staan ​​de tijd hebben gehad om met hoge roodverschuivingen te botsen. ΛCDM stelt dat structuren langzaam moeten groeien, en Kroupa stelt dat dit te langzaam zou zijn voor wat onze telescopen ons laten zien: massieve sterrenstelsels en enorme clusters in het vroege heelal. Relevanter is dat het de dynamiek van de clusterbotsingen zelf is die Kroupa hoop geeft. In het bijzonder voorspelt ΛCDM dat de snelheden van de sterrenstelsels die in de zwaartekrachtput van de gecombineerde cluster vallen een stuk lager zouden moeten zijn dan wat wordt waargenomen.

‘Bossies van clusters van sterrenstelsels zijn volledig in strijd met ΛCDM, terwijl ze tamelijk natuurlijk overeenkomen met MOND’, zegt Kroupa. Ondanks het enthousiasme van Kroupa is McGaugh daar niet zo zeker van. Hij denkt zelfs dat clusters van sterrenstelsels een reëel probleem vormen voor zowel ΛCDM als MOND.

“Het is een puinhoop”, geeft hij toe. “Voor donkere materie zijn de botsingssnelheden veel te hoog. Mensen uit de donkere materie zijn heen en weer gegaan met het argument: zijn de snelheden te hoog of niet? Voor MOND is het zo dat clusters van sterrenstelsels een massaverschil vertonen, zelfs nadat je MOND hebt toegepast. Clusters baren mij zorgen omdat ik daar gewoon geen mooie uitweg in zie.”

Een theorie van alles?

Over clusters en brede binaire bestanden kan worden gedebatteerd ad infinitum totdat de ene of de andere partij de nederlaag toegeeft. Maar misschien wel de ernstigste kritiek op MOND is het regelrechte ontbreken van een werkbaar kosmologisch model. Het is allemaal goed en wel om donkere materie te vervangen door aangepaste zwaartekracht in sterrenstelsels, maar om de theorie uiteindelijk succesvol te laten zijn, moet deze alles verklaren wat donkere materie kan en meer. Dit betekent dat het een concurrent van ΛCDM moet zijn bij het uitleggen van wat we zien in de kosmische microgolfachtergrond (CMB) – de oorspronkelijke microgolfstraling die het universum vult.

De CMB wordt vaak gekarakteriseerd als de “vuurbal van de oerknal”, maar het is meer dan dat. In de vorm van subtiele temperatuurvariaties van slechts 379,000 jaar na de oerknal zijn er zogenaamde anisotropieën op gedrukt, die overeenkomen met gebieden met een iets hogere of lagere dichtheid, gevormd door akoestische golven die door het oerplasma weergalmden. Dit zijn de zaden van structuurvorming in het universum. Uit deze zaden groeide het ‘kosmische web’ – een netwerk van filamenten van materie waarlangs sterrenstelsels groeien en, waar de filamenten samenkomen, grote clusters van sterrenstelsels.

MOND is bedacht om de rotatiecurven van sterrenstelsels te verklaren door op Newton te letten, en niet op Einstein. Het duurde nog twintig jaar voordat Bekenstein met een relativistisch model van MOND op de proppen kwam dat op de moderne kosmologie kon worden toegepast. Het heet Tensor-Vector-Scalaire (TeVeS) zwaartekracht en bleek impopulair, omdat het moeite had om de grootte van de derde akoestische piek in de anisotropieën te verklaren die in het standaardmodel kan worden toegeschreven aan donkere materie, evenals beperkingen bij het modelleren van zwaartekrachtlenzen en zwaartekrachtgolven .

Veel mensen dachten dat het probleem van een relativistisch model van MOND zo moeilijk was dat het niet mogelijk was. Dan, in 2021 Constantinos Skordis en Tom Złośnik van de Tsjechische Academie van Wetenschappen bewees dat iedereen ongelijk had. In hun model introduceerde het duo zwaartekracht-modificerende vector- en scalaire velden die in het vroege universum actief zijn om zwaartekrachteffecten te creëren die donkere materie nabootsen, voordat ze in de loop van de tijd evolueerden om te lijken op de reguliere MOND-theorie in het moderne universum.Phys. Lett. 127 161302).

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity-physics-world-4.jpg" data-caption="Hemel puzzel De Planck-missie bracht de kosmische microgolfachtergrond in kaart. De algemeen aanvaarde interpretatie van de gegevens is dat het universum voor ongeveer 4.9% uit gewone materie, 26.8% uit donkere materie en 68.3% uit donkere energie bestaat. De MOND-theorie was aanvankelijk niet in staat de temperatuurvariaties te verklaren die werden onthuld door missies als Planck. In 2021 creëerden Constantinos Skordis en Tom Złośnik een door MOND geïnspireerd model dat net zo goed overeenkomt met de Planck-gegevens als modellen met donkere materie. (Met dank aan: ESA en de Planck Collaboration)” title=”Klik om afbeelding in pop-up te openen” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/02/cosmic-combat-delving-into-the -strijd-tussen-donkere-materie-en-gemodificeerde-zwaartekrachtfysica-wereld-4.jpg”>

Gezien de moeizame geschiedenis van pogingen om een ​​relativistisch model van MOND te ontwikkelen, gelooft McGaugh dat het een “opmerkelijke prestatie” is om een ​​dergelijke theorie te kunnen opschrijven die wel past bij de microgolfachtergrond. Het Skordis- en Złośnik-model is niet perfect. Net als TeVeS heeft het moeite om de hoeveelheid zwaartekrachtlenzen die we in het universum waarnemen te verklaren. Banik benadrukt ook de problemen in het model en zegt dat “het in de problemen kwam omdat het geen goede verklaring biedt voor clusters van sterrenstelsels”.

Baker herhaalt deze zorgen. “Hoewel het voor MOND een goede stap voorwaarts was om dat te kunnen doen,” zegt hij, “denk ik niet dat het genoeg was om MOND weer mainstream te maken. De reden hiervoor is dat [Skordis en Złośnik] er veel extra velden aan hebben toegevoegd, veel toeters en bellen, en het verliest echt aan elegantie. Het werkt met de CMB, maar het lijkt heel onnatuurlijk.”

Misschien leggen we teveel gewicht op de schouders van het model. Het kan worden gezien als slechts een begin, een proof of concept. “Of dit de definitieve theorie is, of zelfs de goede weg inslaat, weet ik niet”, zegt McGaugh. “Maar mensen zeggen dat het niet kan, en wat Skordis en Złośnik hebben laten zien is dat het wel kan, en dat is een belangrijke stap voorwaarts.”

MOND blijft de discipelen van de donkere materie fascineren, frustreren en minachten. Er is nog een lange weg te gaan voordat de wetenschappelijke gemeenschap het als een zware rivaal van ΛCDM gaat beschouwen, en dit wordt zeker belemmerd doordat er relatief weinig mensen aan werken, wat betekent dat de vooruitgang traag is.

Maar de successen die deze parvenu-theorie heeft gehad, mogen niet worden genegeerd, zegt McGaugh. Het zou astronomen in ieder geval scherp moeten houden met het reguliere donkere-materiemodel.

• In deel twee van Keith Coopers driedelige serie onderzoekt hij enkele recente successen van donkere materie en de serieuze uitdagingen waarmee deze ook wordt geconfronteerd.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/cosmic-combat-delving-into-the-battle-between-dark-matter-and-modified-gravity/