Alternatieve zwaartekrachttheorieën minder aantrekkelijk

De zwaartekrachtheorieën van Isaac Newton en Albert Einstein doen fantastisch werk op de schaal van het zonnestelsel en kleiner. Met grote precisie voorspellen ze hoe snel appels uit bomen vallen en hoe planeten om de zon draaien. Op grotere schaal loopt het echter in de soep. Wat blijkt? Er is ‘te weinig’ zwaartekracht om sterrenstelsels bij elkaar te houden: sterren aan de randen van de draaiende stelsels zouden eigenlijk uit de bocht moeten vliegen. Ga je naar nóg grotere schaal dan zie je dat sterrenstelsels onderling niet bij elkaar worden gehouden door de zwaartekracht, maar dat ze door een mysterieuze kracht steeds sneller uit elkaar worden geduwd.

In een notendop is dat hoe het onderzoek naar de krachten op grote schaal ervoor staat. Wetenschappers kwamen met oplossingen, zoals donkere materie en donkere energie. Donkere materie zou in grote hoeveelheden in sterrenstelsels aanwezig zijn en met zijn ‘extra’ zwaartekracht de bewegingen van sterren in de sterrenstelsels verklaren, zonder dat het (zoals normale materie) te zien is. Ondanks de vele experimenten heeft niemand nog een spoor van donkere materie gevonden. De zo mogelijk nóg mysterieuzere donkere energie zou verantwoordelijk zijn voor het uit elkaar duwen van sterrenstelsels op de allergrootste schaal. Ook hier geldt dat natuurkundigen, ondanks experimenten, in het duister tasten over wat die donkere energie is.

De theorieën van donkere materie en donkere energie hebben veel aanhangers, en toch zijn er astronomen die hun heil zoeken in alternatieve zwaartekrachttheorieën. Ze sleutelen aan bestaande theorieën totdat de voorspellingen overeenkomen met de waarnemingen. Zou het kunnen dat de zwaartekracht op de schaal van een sterrenstelsel sterker is dan gedacht, zodat de sterren er níet meer uitvliegen? Kan het dat de zwaartekracht op de allergrootste schaal afstotend wordt, zodat sterrenstelsels uit elkaar vliegen? Twee onderling niet gerelateerde wetenschappelijke publicaties vegen een aantal van dit soort alternatieve verklaringen deze week van tafel.

MONDdood

In de eerste publicatie in Nature Astronomy richten astronomen hun pijlen op de zogenoemde MOND-theorie (Modified Newtonian Dynamics). Ontwikkeld vanaf de jaren 80 poogt deze theorie om de dynamiek van sterrenstelsels te verklaren. De zwaartekracht op relatief kleine schaal werkt zoals we verwachten, maar op schaal van sterrenstelsels wordt de zwaartekracht sterker. Maar als je een natuurkundige wet opstelt dan wil je dat deze universeel toepasbaar is, op álle sterrenstelsels. Er zou idealiter één parameter zijn die de zwaartekracht zo ‘doseert’ dat het alle sterrenstelsels bij elkaar houdt, zonder noodzaak van donkere materie.

De Braziliaanse astronoom Davi Rodriguez en zijn collega’s proberen nu op basis van twee datasets met nauwkeurige informatie over de rotatie van 193 sterrenstelsels die ene corrigerende parameter te bepalen die de bewegingen in al die sterrenstelsels verklaart. Zou er voor al die stelsels een en dezelfde parameter bestaan, dan kan dat een teken zijn dat er een overkoepelend mechanisme aan het werk is, zoals MOND.

Maar zo’n gezamenlijke parameter werd niet gevonden. De benodigde ‘zwaartekrachtaanpassing’ varieert sterk tussen de sterrenstelsels, zo concluderen de onderzoekers. Met een aan zekerheid grenzende statistische stelligheid verwerpen ze een universele modificatie van de zwaartekracht. Wat de bewegingen dan wel kan verklaren? Aan het einde van het artikel gooien de astronomen het – niet verrassend – op donkere materie. De verdeling van deze donkere materie kan in ieder van die sterrenstelsels verschillen, wat ook de verschillende bewegingen verklaart.

Einstein zegenviert op grote schaal

Een tweede publicatie, vandaag in Science, richt zich op zwaartekrachttheorieën die proberen te verklaren waarom sterrenstelsels op zeer grote schaal uit elkaar worden geduwd. Dat rijmt niet met de meest accurate zwaartekrachttheorie (de algemene relativiteitstheorie) die stelt dat zwaartekracht louter een aantrekkende kracht is.

Thomas Collett en collega’s nemen in dit artikel een bijzonder aspect van de algemene relativiteitstheorie onder de loep: de zogenoemde zwaartekrachtlens. De theorie van Einstein voorspelt dat zeer zware objecten de omliggende ruimte vervormen, vaak voorgesteld als een gewicht dat een ‘deuk’ maakt in een horizontaal gespannen laken. Deze vervormde ruimte buigt onder andere het licht af, dat doorgaans in kaarsrechte lijnen door het heelal gaat. De vervorming kan zorgen voor een soort lens: een zwaar sterrenstelsel buigt het licht van een veel verder gelegen sterrenstelsel ‘om zich heen’ zodat het vanaf de aarde gezien als een soort ring om het voorgrondstelsel verschijnt.

De astronomen gingen op zoek naar afwijkingen in dit lenseffect. Mocht dit niet precies kloppen, dan is er misschien ruimte voor alternatieve theorieën waarin de zwaartekracht op deze schaal anders werkt dan verwacht. Specifiek keken ze naar de zwaartekrachtlens ESO 325-G004, een sterrenstelsel op een afstand van ruwweg 465 miljoen lichtjaar.

Voor dit sterrenstelsel is een relatief goede massabepaling mogelijk op basis van de bewegingen in het sterrenstelsel, in tegenstelling tot veel andere zwaartekrachtlenzen die daarvoor te ver weg staan. Verder zouden er binnen ESO 325-G004 ook weinig invloeden zijn van donkere materie, wat de massabepaling accurater maakt. Er is weinig ruimte voor twijfel: deze zwaartekrachtlens doet vrijwel precies wat je verwacht op basis van algemene relativiteit. De wetenschappers vegen hiermee zwaartekrachttheorieën van tafel die de uitdijing van het universum op grote schaal proberen te verklaren en daarbij afwijkingen in het lenseffect produceren.

Ruimte voor twijfel

Is alles in kannen en kruiken? Zetten we ons geld in op respectievelijk donkere materie en donkere energie (wat dit dan ook moge zijn), in plaats van alternatieve zwaartekrachttheorieën? Nou, misschien niet al ons geld. Zeker bij het eerste onderzoek over de donkere materie is er meer aan de hand. Opvallend is dat een andere groep wetenschappers recentelijk concludeerde dat er juist wél een overkoepelende variabele is voor de ‘aangepaste’ zwaartekracht binnen verschillende sterrenstelsels. Dit artikel is geaccepteerd voor publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Astronomy & Astrophysics en baseert zich nota bene op precies dezelfde waarnemingen als het hierboven beschreven Nature Astronomy-artikel.

Volgens Brouwer is er juist wél een overkoepelende parameter te bepalen voor al die sterrenstelsels, als de massa-licht-verhouding vast wordt gezet. “Het is moeilijk om te bepalen wie er gelijk heeft, maar ik vind dat Rodriguez en collega’s te stellig zijn in hun conclusie dat een alternatieve zwaartekrachttheorie helemaal van tafel kan”, zegt ze.

Er zijn duidelijk twee kampen binnen de astronomie, die van de donkere materie en die van de aangepaste zwaartekracht. Het overgrote deel hangt donkere materie aan. “Dat is echt honderd tegen één”, zegt Brouwer. “Dat komt doordat donkere materie een grote hoeveelheid waarnemingen verklaart, waarvoor eigenlijk geen enkele andere oplossing is, zoals het Bullet Cluster. Ik probeer zelf zo min mogelijk een kamp te kiezen en kijk zoveel mogelijk naar de data. Het is belangrijk dat we deze discussie voeren, en dat je weet waar de onzekerheden in de onderzoeken zitten.”