Don Lincoln is een senior wetenschapper bij het Amerikaanse Department of Energy Fermilab, Amerika's grootste onderzoeksinstelling Large Hadron Collider. Hij schrijft ook over wetenschap voor het publiek, waaronder zijn recente "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Things That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014). Je kunt hem volgen op Facebook. Lincoln heeft dit artikel bijgedragen aan Expert Voices van WordsSideKick.com: Op-Ed & Insights.
Veel wetenschappelijk onderlegde mensen gaan ervan uit dat het universum niet alleen bestaat uit Carl Sagans vaak geciteerde "miljarden en miljarden" sterrenstelsels, maar ook uit een enorme hoeveelheid van een onzichtbare substantie die donkere materie wordt genoemd. Aangenomen wordt dat deze vreemde materie een nieuw soort subatomair deeltje is dat geen interactie aangaat via elektromagnetisme, noch de sterke en zwakke nucleaire krachten. Er wordt ook verondersteld dat donkere materie vijf keer vaker voorkomt in het universum dan de gewone materie van atomen.
De realiteit is echter dat het bestaan van donkere materie nog niet is bewezen. Donkere materie is nog steeds een hypothese, zij het een tamelijk goed ondersteunde. Elke wetenschappelijke theorie moet voorspellingen doen, en als het waar is, moeten de metingen die je doet in lijn zijn met de voorspellingen. Hetzelfde geldt voor donkere materie. Zo maken donkere-materietheorieën voorspellingen over hoe snel sterrenstelsels draaien. Maar tot nu toe kwamen metingen van de gedetailleerde verdeling van donkere materie in het centrum van sterrenstelsels met een lage massa niet overeen met die voorspellingen.
Een recente berekening heeft daar verandering in gebracht. De berekening helpt bij het oplossen van het raadsel van de Tully-Fisher-relatie, die de zichtbare of gewone materie van een sterrenstelsel vergelijkt met zijn rotatiesnelheid. In zeer vereenvoudigde termen hebben wetenschappers ontdekt dat hoe groter (en dus helderder) een spiraalstelsel is, hoe sneller het ronddraait.
Maar als er donkere materie bestaat, moet de grootte van een sterrenstelsel niet alleen worden bepaald door de zichtbare materie, maar ook door de donkere materie. Met een groot deel van de vergelijking - de hoeveelheid donkere materie - ontbreekt, zou de Tully-Fisher-relatie niet stand moeten houden. En toch doet het dat. Het was moeilijk een manier voor te stellen om deze relatie te verzoenen met de bestaande theorie van donkere materie. Tot nu.
Oorsprong van donkere materie
De eerste aantekeningen dat er misschien behoefte is aan zoiets als donkere materie, gaan terug tot 1932. De Nederlandse astronoom Jan Oort mat de baansnelheden van sterren in de Melkweg en vond dat ze te snel bewogen om te worden verklaard door de waargenomen massa van de melkweg.
Sterren draaien om hun moederstelsel in bijna cirkelvormige paden en de zwaartekracht is de kracht die de sterren in die banen vasthoudt. De vergelijkingen van Newton voorspellen dat de kracht waardoor de sterren in een cirkelvormig pad bewegen, F (cirkelvormig), gelijk moet zijn aan de kracht als gevolg van de zwaartekracht op de ster, F (zwaartekracht), anders zou de ster de ruimte in vliegen of erin vallen het centrum van de melkweg. Voor degenen die zich de natuurkunde van de middelbare school herinneren, F (circulair) is een traagheidsverklaring en is gewoon Newton's F = ma. F (zwaartekracht) is Newton's wet van universele zwaartekracht.
Nabij het centrum van sterrenstelsels ontdekten Rubin en Ford dat F (rond), zoals verwacht, ongeveer gelijk was aan F (zwaartekracht). Maar ver van het centrum van de sterrenstelsels kwamen de twee kanten van de vergelijking niet goed overeen. Hoewel details van melkweg tot melkweg varieerden, waren hun waarnemingen in wezen universeel.
Zo'n dramatische discrepantie moet worden uitgelegd. Nabij het centrum van sterrenstelsels betekenden de metingen van Rubin en Ford dat de theorie werkte, terwijl de discrepantie op grotere baanafstanden betekende dat er iets aan de hand was dat bestaande theorieën niet konden verklaren. Hun inzichten toonden aan dat we niet begrijpen hoe traagheid werkt (bijvoorbeeld F (circulair)), of dat we niet begrijpen hoe zwaartekracht werkt (bijvoorbeeld F (zwaartekracht)). Een derde mogelijkheid is dat het gelijkteken verkeerd is, wat betekent dat er een andere kracht of effect is dat de vergelijking niet bevat. Dat waren de enige mogelijkheden.
De discrepanties uitleggen
In de 40 jaar sinds het oorspronkelijke werk van Rubin en Ford hebben wetenschappers veel theorieën getest om te proberen de verschillen in galactische rotatie te verklaren die ze hebben gevonden. Natuurkundige Mordehai Milgrom stelde een wijziging van de traagheid voor, de zogenaamde 'gemodificeerde Newtoniaanse dynamica' of MOND. In zijn oorspronkelijke vorm veronderstelde hij dat Newton's vergelijking F = ma bij zeer lage versnellingen niet werkte.
Andere natuurkundigen hebben wijzigingen in de zwaartekrachtswetten voorgesteld. De algemene relativiteit van Einstein helpt hier niet, omdat in dit rijk de voorspellingen van Einstein en Newton in wezen identiek zijn. En theorieën over kwantumzwaartekracht, die de zwaartekracht proberen te beschrijven met behulp van subatomaire deeltjes, kunnen om dezelfde reden niet de verklaring zijn. Er zijn echter gravitatietheorieën die voorspellingen doen op galactische of extragalactische schalen die verschillen van de zwaartekracht van Newton. Dat zijn dus opties.
Dan zijn er voorspellingen dat er nieuwe krachten bestaan. Deze ideeën worden samengevoegd onder de naam 'de vijfde kracht', wat een kracht impliceert die verder gaat dan de zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke nucleaire krachten.
Ten slotte is er de theorie van donkere materie: dat een soort materie die helemaal geen interactie heeft met licht, maar toch een zwaartekracht uitoefent, het universum doordringt.
Waren de galactische rotatiemetingen de enige gegevens die we hebben, dan kan het moeilijk zijn om tussen deze verschillende theorieën te kiezen. Het is tenslotte mogelijk om elke theorie aan te passen om het galactische rotatieprobleem op te lossen. Maar er zijn nu veel waarnemingen van veel verschillende verschijnselen die kunnen helpen bij het identificeren van de meest plausibele theorie.
Een daarvan is de snelheid van sterrenstelsels binnen grote clusters van sterrenstelsels. De sterrenstelsels bewegen te snel om de clusters bij elkaar te houden. Een andere waarneming is het licht van zeer verre sterrenstelsels. Waarnemingen van deze zeer verre oude sterrenstelsels laten zien dat hun licht wordt vervormd door door de zwaartekrachtvelden van meer nabije clusters van sterrenstelsels te gaan. Er zijn ook studies naar kleine niet-uniformiteiten van de kosmische microgolfachtergrond die de geboortekreet van het universum is. Al deze metingen (en nog veel meer) moeten ook worden aangepakt door een nieuwe theorie om galactische rotatiesnelheden te verklaren.
De onbeantwoorde vragen van donkere materie
De theorie van de donkere materie heeft redelijk veel werk verricht bij het voorspellen van veel van deze metingen, en daarom wordt het in de wetenschappelijke gemeenschap zeer gerespecteerd. Maar donkere materie is nog steeds een onbevestigd model. Alle bewijzen voor het bestaan ervan tot dusver zijn indirect. Als donkere materie bestaat, zouden we interacties van donkere materie direct moeten kunnen observeren terwijl deze door de aarde gaat en zouden we donkere materie kunnen maken in grote deeltjesversnellers, zoals de Large Hadron Collider. En toch is geen van beide benaderingen succesvol geweest.
Bovendien moet donkere materie overeenkomen met alle, niet alleen met veel, astronomische waarnemingen. Hoewel donkere materie tot nu toe het meest succesvolle model is, is het niet helemaal succesvol. Donkere-materiemodellen voorspellen meer dwerg-satellietstelsels rond grote sterrenstelsels zoals de Melkweg dan er daadwerkelijk worden gedetecteerd. Hoewel er meer dwergstelsels worden gevonden, zijn er nog te weinig vergeleken met de voorspellingen van donkere materie.
Een andere grote, open vraag is hoe donkere materie de relatie beïnvloedt tussen de helderheid van sterrenstelsels en hun rotatiesnelheden. Deze relatie, die voor het eerst werd gepresenteerd in 1977, wordt de Tully-Fisher-relatie genoemd en het heeft talloze keren aangetoond dat de zichtbare massa van een sterrenstelsel goed correleert met zijn rotatiesnelheid.
Moeilijke uitdagingen voor donkere materie
Dus daarmee is het achtergrondverhaal beëindigd. Wat is nieuw?
De relatie tussen Tully en Fisher is een moeilijke uitdaging voor modellen met donkere materie. De rotatie van een sterrenstelsel wordt bepaald door de totale hoeveelheid materie die het bevat. Als donkere materie echt bestaat, dan is de totale hoeveelheid materie de som van zowel gewone als donkere materie.
Maar de bestaande theorie van donkere materie voorspelt dat elk willekeurig sterrenstelsel grotere of kleinere fracties donkere materie kan bevatten. Dus als je de zichtbare massa meet, mis je mogelijk een groot deel van de totale massa. Als gevolg hiervan zou de zichtbare massa een zeer slechte voorspeller moeten zijn van de totale massa (en daarmee de rotatiesnelheid) van de melkweg. De massa van de melkweg zou vergelijkbaar kunnen zijn met die van de zichtbare (gewone) massa of zou veel groter kunnen zijn.
Er is dus geen reden om te verwachten dat de zichtbare massa een goede voorspeller is van de rotatiesnelheid van de melkweg. Toch is het zo.
In een paper die dit jaar is verschenen, gebruikten sceptici van donkere materie metingen van de Tully-Fisher-relatie voor verschillende sterrenstelsels om te argumenteren tegen de hypothese van donkere materie en voor een aangepaste versie van traagheid, zoals MOND.
Beter geschikt voor donkere materie
In een paper die in juni is verschenen, hebben wetenschappers modellen voor donkere materie echter een flinke boost gegeven. Het nieuwe werk reproduceert niet alleen de successen van eerdere voorspellingen van het donkere-materiemodel, het reproduceert ook de Tully-Fisher-relatie.
Het nieuwe artikel is een "semi-analytisch" model, wat betekent dat het een combinatie is van analytische vergelijkingen en simulatie. Het simuleert het samenklonteren van donkere materie in het vroege universum dat mogelijk de vorming van melkwegstelsels heeft veroorzaakt, maar omvat ook de interactie van gewone materie, inclusief zaken als de instroom van gewone materie in een ander hemellichaam vanwege de zwaartekracht, stervorming en verwarming van invallend gas door sterrenlicht en supernova's. Door de parameters zorgvuldig af te stemmen, konden de onderzoekers de voorspelde Tully-Fisher-relatie beter matchen. De sleutel van de berekening is dat de voorspelde rotatiesnelheid een realistische waarde bevat voor de verhouding tussen baryonen en donkere materie in de melkweg.
De nieuwe berekening is een belangrijke aanvullende stap bij het valideren van het donkere-materiemodel. Dit is echter niet het laatste woord. Elke succesvolle theorie moet met alle metingen overeenkomen. Als u het er niet mee eens bent, betekent dit dat de theorie of de gegevens onjuist zijn of in ieder geval onvolledig. Er zijn nog enkele discrepanties tussen voorspelling en meting (zoals het aantal kleine satellietstelsels rond grote), maar dit nieuwe artikel geeft ons het vertrouwen dat toekomstige werkzaamheden deze resterende discrepanties zullen oplossen. Donkere materie blijft een krachtig voorspellende theorie voor de structuur van het universum. Het is niet compleet en het moet worden gevalideerd door het eigenlijke donkere materiedeeltje te ontdekken. Er is dus nog werk aan de winkel. Maar deze meest recente berekening is een belangrijke stap in de richting van de dag waarop we voor eens en altijd zullen weten of het universum werkelijk wordt gedomineerd door de duistere kant.
