Verlindes zwaartekrachttheorie heeft donkere materie nog lang niet schaakmat

Eerste test voor theorie eindigt in een gelijkspel

Erik Verlinde trok afgelopen tijd veel aandacht met zijn nieuwe zwaartekrachttheorie waarmee de in de astronomie diep gewortelde donkere materie misschien ‘overbodig’ wordt. Sterrenkundigen van onder andere de Universiteit Leiden hebben de theorie deze maand voor het eerst succesvol gestaafd, maar het zal nog lang duren voordat ‘emergente zwaartekracht’ donkere materie verbannen heeft.

door

M51 hubble remix

De Melkweg heeft een structuur die vergelijkbaar is met het M51-sterrenstelsel, ook wel de draaikolknevel. S. Beckwith, Hubble Heritage Team, ESA, NASA

Al enkele jaren kijkt sterrenkundige Margot Brouwer naar de zwaartekracht rondom sterrenstelsels, verzamelingen van honderden miljarden sterren, zoals onze Melkweg. Daar is iets raars mee aan de hand: er lijkt veel meer zwaartekracht te zijn dan de zichtbare materie doet vermoeden. Zo draaien sterrenstelsels veel te snel rond, eigenlijk zouden ze uit elkaar moeten vliegen.

De promovenda van de Universiteit Leiden gebruikt het door de zwaartekracht afgebogen licht uit het verre universum om te bepalen hoeveel materie er in nabijere sterrenstelsels zit. Net als vrijwel iedereen in haar vakgebied gebruikt Brouwer al jaren donkere materie om haar berekeningen kloppend te maken. Alleen door aan te nemen dat er naast gewone materie grote hoeveelheden zogenoemde donkere materie in en om de stelsels zit, zijn de bewegingen van de stelsels goed te verklaren. De donkere materie is onzichtbaar voor de telescopen.

En toen kwam Erik Verlinde. Hij presenteert in een vorige maand gepubliceerd artikel een theorie waarin zwaartekracht wordt beschouwd als een effect van de manier waarop informatie in ons universum is opgeslagen (zie kader ‘Emergente zwaartekracht’). Hij claimt de afwijkende draaisnelheden op deze manier te kunnen verklaren zónder donkere materie. Verlinde kreeg nationaal en internationaal veel aandacht. Sommige astronomen vinden zijn theorie interessant, anderen vinden het niks.

Img 20150623 172613

Erik Verlinde. Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

Emergente zwaartekracht

Volgens Erik Verlinde is de zwaartekracht geen kracht zoals bijvoorbeeld de elektromagnetische kracht, maar een effect van de manier waarop deeltjes in het universum met elkaar omgaan. Een soort bijverschijnsel van informatie die beschrijft waar de materie zich bevindt, die informatie zou liggen op een theoretische bol. Zo’n ‘emergent’ verschijnsel laat zich vergelijken met temperatuur, dat een gevolg is van de collectieve beweging van ontelbare atomen. De theorie van emergente zwaartekracht stamt uit 2010. In een vervolgpublicatie uit 2016 poogt Verlinde deze theorie in te zetten om de afwijkingen in de bewegingen van sterrenstelsels te verklaren.

Terug naar Brouwer, want zij wist dat de theorie van Verlinde grote impact kon hebben op haar onderzoek. Ze besefte al snel dat ze met haar onderzoek Verlindes theorie aan de tand kan voelen. Brouwer en collega’s keken naar de massaverdeling van 33.613 sterrenstelsels voor sporen van ‘emergente zwaartekracht’. Tot Brouwers verrassing doet de theorie van Verlinde goede voorspellingen. Kan donkere materie van tafel? Nee dat nou ook weer niet direct. Verlinde kan iets op het spoor zijn, maar deze voorzichtige test is hooguit een gelijkspel te noemen.

Zwaartekrachtslenzen en bobbelige ramen

Voor de test was een zo nauwkeurig mogelijk kaart van de sterkte van de zwaartekracht rondom verschillende sterrenstelsels nodig. Omdat Albert Einstein voorspelde dat massa (die voor zwaartekracht zorgt) de ruimte kromt, ging Brouwer op zoek naar deze kromming. Dat kan door naar sterrenstelsels daarachter te kijken. Het licht van die veel verdere sterrenstelsel wordt beïnvloed door het stelsel op de voorgrond. Soms is dat effect sterk, het beeld van een melkwegstelsel wordt bijvoorbeeld uitgesmeerd over een volledige ring, maar meestal wordt het beeld subtiel gekromd.

Apsalan stonebraker galaxy images from stsciaura nasa esa and the hubble heritage team

De werking van een zwaartekrachtslens. Twee sterrenstelsels op de voorgrond vervormen de ruimte met hun zwaartekracht, dat veroorzaakt twee ‘kuilen’ in de normaal gesproken gladde ruimtetijd. Licht van veel verdere sterrenstelsels wordt een beetje vervormd door deze kuilen waardoor ze wat afgeplat lijken. Hieruit kunnen astronomen de massaverdeling van de voorste sterrenstelsels afleiden. APS/Alan Stonebraker/STScI/AURA/NASA/ESA/Hubble Heritage Team

Om te weten hoeveel het beeld van die verre melkwegstelsels is gebogen moet je natuurlijk wel weten hoe die stelsels er eigenlijk uitzien. De sterrenkundigen gebruiken daarom een soort gemiddelde oriëntatie, het ene stelsel zal (willekeurig) een beetje afgeplat in de ene richting zijn, het andere stelsel wijst de andere kant op. Het is nu de kunst om bij enorm veel van die verre stelsels om een ‘voorgrondstelsel’ heen te kijken. “Het kan natuurlijk toeval zijn, maar als je duizenden stelsels ziet die allemaal loodrecht op een voorgrondstelsel zijn vervormd – ze liggen er als het ware als een cirkel omheen – dan is er waarschijnlijk iets aan de hand”, zegt Brouwer. Ze vergelijkt het met bomen die je door een oneffen raam ziet. “Als er opeens een rond patroon in de takken van een boom ziet, dan kan het zijn dat die boom zo groeit, maar waarschijnlijk zit er een bobbel in je raam.”

Tot Brouwers verbazing paste de theorie van Verlinde precies, dus zonder correcties te doen met donkere materie. Normaal gesproken passen de astronomen de geschatte hoeveelheid donkere materie in het sterrenstelsel zo aan dat het precies overeenkomt met de waarnemingen. Niet echt een elegante oplossing, geeft Brouwer toe. “Het gave van Verlindes theorie is dat hij goede voorspellingen doet zónder het aanpassen van de massa van het stelsel. Het was voor het eerst in ons onderzoek dat we de voorspelling niet hoefde aan te passen aan de hand van metingen”, zegt Brouwer.

Kosmische gelijkspel

Berekeningen niet meer hoeven aanpassen aan de waarnemingen, dat klinkt als een fantastisch resultaat, die de voorkeur verdient boven correcties met donkere materie. Maar voordat we de theorie van emergente zwaartekracht omhelzen, waarschuwt Brouwer dat er nog veel situaties zijn die op een verklaring wachten. “Verlinde heeft zijn theorie uitgewerkt voor geïsoleerde sterrenstelsels met een gelijkmatige verdeling van donkere energie eromheen”, zegt Brouwer. “In mijn onderzoek zocht ik ook precies naar deze situaties. Op bijvoorbeeld botsingen van groepen sterrenstelsels is de theorie nog helemaal niet voorbereid.”

Bulletcluster

De zogeheten bullet cluster is een botsing van twee groepen van sterrenstelsels: het wordt beschouwd als een van de belangrijkste bewijzen voor donkere materie. Doormiddel van zwaartekrachtslenswerking zijn astronomen erin geslaagd om de massaverdeling in de clusters op te helderen. Het blijkt dat een deel van de materie is ‘doorgeschoten’ na de botsing (in blauw), terwijl de meerderheid van de zichtbare materie wél is afgeremd door de botsing. De doorgeschoten materie zou donkere materie zijn. De theorie van emergente zwaartekracht doet vooralsnog geen uitspraken over deze situatie. NASA, X-ray: NASA/CXC/M.Markevitch et al. Optical: NASA/STScI; Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al. Lensing, CC By 2.0

Brouwer hoopt nu een situatie in het universum te kunnen vinden waarbij beide theorieën compleet verschillende uitspraken doen. Wat dat precies voor sterrenstelsel (of groep van sterrenstelsels) is weet ze nog niet. In ieder geval zouden meer en preciezere waarnemingen helpen. Daarmee zou ook al een theorie door de mand kunnen vallen. Tot die tijd lijkt het op basis van deze metingen een kosmisch gelijkspel.

Mediahype

Normaal gesproken zit Brouwer in ‘eenzaamheid haar formules uit te werken’, grapt ze, maar ze was overdonderd door de aandacht voor haar onderzoek. Ze werd benaderd door media in Nederland en daarbuiten. Brouwer: “Ik merk dan dat er enthousiaste journalisten tussen zitten die bij mij quotes proberen los te peuteren. Ze willen dat ik zeg dat donkere materie niet bestaat. Maar dat gaat echt veel te ver. Ik probeer dan duidelijk te maken dat de theorie van Verlinde nog ontzettend in de kinderschoenen staat. Geef de man wat tijd!”

Ondertussen blijft het voor alle astronomen die op donkere materie ‘vertrouwen’ business as usual. Dat lijkt terecht, want donkere materie is vooralsnog hard nodig om het universum te kunnen verklaren.

Bron

  • Brouwer M. et al., First test of Verlinde’s theory of Emergent Gravity using Weak Gravitational Lensing measurements, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society (11 december 2016), DOI:10.1093/mnras/stw3192