In oktober waren LIGO en zijn Europese tegenhanger, VIRGO, getuige van zwaartekrachtgolven die rimpelden uit een adembenemende botsing tussen twee neutronensterren. Deze ongekende gebeurtenis zag eruit als een zoveelste triomf voor een nieuw soort astronomie, een die zwaartekrachtgolven kon gebruiken om enkele van de diepste mysteries van het universum te onderzoeken. Maar in alle opwinding merkten de meeste mensen niet dat er iets was gestorven: een hele groep theorieën die een universum zonder donkere materie staven.
gerelateerde inhoud
- Wetenschappers zien de vonk van de oude botsing van neutronensterren
- Drie wetenschappers achter de detectie van zwaartekrachtgolven bekroond met de Nobelprijs voor de natuurkunde
- Wetenschappers detecteren de vierde zwaartekrachtgolf en komen terecht bij een botsing met een oud zwart gat
Dat klopt: een minder bekende consequentie van het LIGO-nieuws is dat we misschien een belangrijke hervorming van het debat over donkere materie gaan zien - het spul dat het zichtbare materiaal en de buigende ruimte lijkt aan te trekken, maar niet kan worden gezien . Volgens een artikel op de ArXiv preprint-server van Richard Woodard, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit van Florida, vernietigt de recente waarneming een klasse van theorieën die het gedrag van de zwaartekracht op schalen ter grootte van een melkwegstelsel probeerde te verklaren zonder donkere materie.
Woodard merkt op dat sommige van die theorieën, bekend als gemodificeerde zwaartekracht (MOG) of gemodificeerde Newtoniaanse dynamica (MOND), voorspellen dat zwaartekrachtsgolven en lichtgolven op verschillende tijdstippen zouden aankomen. Toch nam LIGO de zwaartekrachtsgolven en het licht op van twee botsende neutronensterren binnen ongeveer 2 seconden na elkaar. Aangezien de bron van beide 130 miljoen lichtjaar verwijderd was, is dat een verschil van slechts 1 deel in ongeveer 1, 5 kwadriljoen. In wezen kwamen ze tegelijkertijd aan.
Het soort modellen waarover Woodard het heeft - wat hij "emulators van donkere materie" noemt - proberen de effecten van donkere materie te dupliceren, door aan te nemen dat zwaartekracht zich anders gedraagt dan de meeste wetenschappers denken. "Ons artikel sluit absoluut niet alle gemodificeerde zwaartekrachtmodellen uit die afzien van donkere materie, " verduidelijkte Woodard. "Het is alleen van toepassing op de grote klasse van hen."
Hoewel ze misschien een klap hebben gehad, gaan anti-donkere materietheoretici niet ten onder zonder ruzie.
...
In de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein wordt ruimte gebogen door massieve objecten. Een bundel fotonen - ook wel licht genoemd - reist langs de kortste afstand tussen twee punten (wat niet altijd een rechte lijn is). Algemene relativiteitstheorie zegt dat zwaartekrachtgolven en licht op dezelfde lijnen of metrieken bewegen.
Maar hoewel de algemene relativiteitstheorie recent is bevestigd, is dit niet het laatste woord. Sommige alternatieve theorieën van zwaartekracht hadden zwaartekrachtsgolven die zich op een ander pad, of metrisch, van licht bewogen. Om dit effect te krijgen, zou een gemodificeerde zwaartekrachttheorie moeten beweren dat de banen van zwaartekrachtgolven alleen worden beïnvloed door de zichtbare materie die we zien, terwijl licht (fotonen) zou worden beïnvloed door de zichtbare materie en alle duplicaateffecten die op donkere materie lijken.
In dat scenario zouden zwaartekrachtgolven en licht op veel verschillende tijdstippen aankomen. Maar omdat LIGO beide zo dicht bij elkaar zag aankomen, lijkt het een krachtig stuk bewijs dat de zwaartekracht werkt zoals Einsteins theorie zegt dat het doet - wat op zijn beurt het geval voor donkere materie zou versterken.
Lang voor LIGO waren sommige natuurkundigen echter niet tevreden met donkere materie en bedachten andere theorieën die probeerden uit te leggen wat astronomen zien. Een set theorieën staat bekend als Tensor-vector-scalaire zwaartekracht (TeVeS), die een extra veld aan de zwaartekracht toevoegt. Ontwikkeld door Jacob Bekenstein in 2004, stond al onder vuur, omdat het leek dat er meer neutrino's nodig waren dan wat natuurkundigen tot nu toe hebben geschat, en het produceerde niet altijd stabiele sterren. Scalar-Tensor-Vector-Gravity (STVG) voegt ook een ander veld toe, zij het op een andere manier dan TeVeS. De theorie zegt dat de zwaartekracht sterker wordt naarmate je opschaalt van het zonnestelsel naar sterrenstelsels en vervolgens naar sterrenstelsels. Het zijn die twee klassen van theorieën waarvan Woodard zegt dat ze worden uitgesloten door de nieuwste gegevens.
Je zou denken dat natuurkundigen eindelijk zouden accepteren dat er donkere materie is, in welke vorm dan ook. Rechts? Welnu, de voorstanders van gemodificeerde zwaartekracht zeggen dat ze nog niet klaar zijn.
John Moffat, een onderzoeker aan het Perimeter Institute in Waterloo, Canada, zegt dat Woodard zijn theorie gewoon verkeerd heeft beschreven. "Ze geven geen verklaring waarom mijn MOG vervalst is", zei hij in een e-mail. "Het is waar dat deze MOND-theorieën worden uitgesloten door de fusiegegevens van neutronensterren. Daarom lijkt mijn MOG de enige overlevende zwaartekrachttheorie te zijn die de melkweg, melkwegclustergegevens en kosmologiegegevens kan verklaren zonder detecteerbare donkere materie in het huidige universum ." Moffat zegt dat zijn theorie inderdaad voorspelt dat licht en zwaartekrachtgolven tegelijkertijd zouden aankomen.
"De beste manier om dit resultaat te interpreteren is niet door te bewijzen dat donkere materie correct is, maar eerder door te beperken hoe gemodificeerde zwaartekrachttheorieën moeten worden geconstrueerd als ze proberen af te zien daarvan, " zei Woodard.
Verschillende paden
In de jaren zeventig ontdekte wijlen astronoom Vera Rubin, toen bij het Carnegie Instituut, dat die zichtbare materie niet langzamer bewoog als men het galactische centrum verlaat (de manier waarop planeten langzamer bewegen als men zich van de zon af beweegt). Op een gegeven moment bewoog het allemaal met dezelfde snelheid. Ofwel was er veel diffuse massa rond de sterrenstelsels die we niet konden zien, of zwaartekracht gedroeg zich op manieren die voorheen niet duidelijk waren.
Vroege verklaringen voor de onzichtbare materie waren: gas, schurkenplaneten, neutrino's en zelfs zwarte gaten. Uiteindelijk werden ze allemaal weggegooid ten gunste van de huidige opvatting van donkere materie als gemaakt van iets dat alleen via de zwaartekracht in wisselwerking stond.
Toch vonden een paar natuurkundigen het idee van donkere materie te handig, iets bedacht alleen om de wiskunde te laten werken. Misschien werkte zwaartekracht anders op verschillende schalen, en was de algemene relativiteitstheorie gewoon niet te verklaren, theoretiseerden ze.
Mordehai Milgrom, emeritus hoogleraar aan het Weizmann Institute of Science in Israël, was een van de vroege MOND-theoretici die zijn versie in de jaren 1980 had voorgesteld. In de kern stelt zijn theorie dat de zwaartekrachtdynamiek verandert wanneer versnellingen als gevolg van zwaartekracht onder een bepaalde limiet komen. Hij stelt ook dat zwaartekracht en licht reizen op verschillende metrieken.
Samen vormen deze theorieën, zo niet een serieuze bedreiging, in ieder geval de aanwijzingen van problemen met donkere materie - tot nu toe. "
Dark Matter FTW
Donkere materie verklaarde niet alleen rotatiecurven. Het was ook goed voor observaties van zwaartekrachtlenzen - het buigen van licht door massieve objecten. Als we naar enkele sterrenstelsels in de verte kijken, zien we objecten achter zich alsof ze door een lens, per algemene relativiteitstheorie. Het licht wordt gebogen met een hoeveelheid die niet kan worden verklaard door de zichtbare massa. Dit was een ander bewijs voor donkere materie (of zoiets).
Donkere materie kan ook verklaren waarom de kosmische microgolfachtergrond er zo uitziet: gemiddeld is het uniform, maar op kleinere schaal is het klonterig, zoals je zou verwachten in een universum met donkere materie. "Een van de dingen waar alternatief voor theoretici voor donkere materie nooit over spreekt, is dat als je geen donkere materie hebt, je geen hobbels krijgt op de [achtergrond van de kosmische magnetron]", zegt Will Kinney, een professor in de natuurkunde aan de Universiteit in Buffalo. "Voor zover ik weet, had geen van de alternatieve theorieën over donkere materie ooit enige verklaring voor hobbels in het (kosmische microgolf-achtergrond) spectrum. Dat zegt op zichzelf dat die theorieën niet zullen werken."
Een goed voorbeeld is het Bullet-cluster, een ruimtegebied waarin twee clusters van sterrenstelsels op elkaar botsen. Waarnemingen van het cluster tonen lenseffecten die niet in lijn liggen met de zichtbare materie erin. Maar als iemand ervan uitgaat dat donkere materie aanwezig is maar zich nog niet rond het cluster heeft gevestigd, dan past de lensing-theorie bij donkere materie, zei Kinney.
De zaak voor MOND
Toch gaan de architecten van gemodificeerde zwaartekracht de problemen van donkere materie tegen. Een daarvan is een anomalie rond de Bullet Cluster - dezelfde die volgens de meesten de theorie van de donkere materie ondersteunt. Volgens sommige observaties versnelt de Bullet Cluster te snel; zelfs uitgaande van donkere materie zijn de snelheden "fout". Ook voorspelt donkere materie de rotatiesnelheden van sommige sterrenstelsels minder goed dan gemodificeerde zwaartekracht.
Bovendien lijken sommige sterrenstelsels die minder zichtbare materie lijken te hebben, nog massiever. Dat kan te wijten zijn aan veel donkere materie, maar er is geen specifieke reden die het geval zou moeten zijn. MOND-theorieën doen het op dat punt beter. "MOND heeft meer voorspellende kracht. Je kunt het gebruiken om de kinematica van schijnbaar door donkere materie gedomineerde sterrenstelsels te voorspellen. Je kunt niet dezelfde voorspelling doen met donkere materie. Het enige dat je kunt zeggen is 'Ik wed dat de melkwegstelsels met lage oppervlaktehelderheid veel donker zijn materie! '"zei Stacy McGaugh, een astrofysicus bij Case Western Reserve University die heeft gewerkt aan gewijzigde zwaartekrachttheorieën." Dit op basis van eerdere ervaringen, niet theorie, waarvoor geen overeengekomen voorspelling is. "
Een ander probleem is de verdeling van deze materie. Milgrom merkt op dat in bijna alle sterrenstelsels die tot nu toe zijn waargenomen, de rotatiecurven dezelfde vorm hebben tot het punt waar de versnelling als gevolg van de zwaartekracht naar het midden ongeveer een tien miljardste vierkante meter per seconde is (ongeveer hetzelfde zwaartekracht gevoeld door iemand op twee meter afstand van een gewicht van 10 kilogram).
Als donkere materie bestaat, zou je niet verwachten dat het altijd zo wordt verspreid. Het zou hetzelfde zijn als naar alle landen op aarde gaan en ontdekken dat de inkomensverdeling precies hetzelfde was, ondanks de zeer verschillende geschiedenis die elk land heeft.
"In het paradigma van [de donkere materie] zijn de huidige dynamieken het resultaat van de ingewikkelde, cataclysmische en onkenbare geschiedenis van het individuele melkwegstelsel dat wordt bestudeerd: over hoeveel fusies het heeft ondergaan en hoe gewelddadig ze waren, over de verwijdering van baryons uit de melkweg vanwege verschillende slecht begrepen processen, enz. ", zegt hij. MOND-theorieën, voegde hij eraan toe, doen in dat opzicht een betere taak in het voorspellen van melkwegbewegingen.
Zelfs Milgrom erkent echter dat er sommige gebieden zijn die MOND-theorieën niet zo goed voorspellen, zelfs in hun relativistische MOG-versies - die bijvoorbeeld de waargenomen kosmische microgolfachtergrond niet reproduceren. "We hebben een uitbreiding van MOND nodig die de kosmologie verklaart. Dit is iets waar we aan werken."
Sabine Hossenfelder, een onderzoeker aan het Frankfurt Institute for Advanced Studies in Duitsland, is het ermee eens dat de observatie van Woodard sommige soorten MOND of MOG overbodig zou maken, maar is er ook niet van overtuigd dat donkere materie het antwoord is. "Het is vrijwel zeker correct dat de observatie theorieën uitsluit met de aannames die ze in de krant vermelden. Maar het is onduidelijk welke, indien aanwezig, gewijzigde zwaartekrachttheorieën daadwerkelijk aan de aannames voldoen, " zei ze. Op haar blog merkte ze op dat donkere materie op alle schalen werkt, terwijl gemodificeerde zwaartekracht niet zo goed werkt voor de kosmologie.
Ethan Siegel, een astrofysicus en auteur, zei dat de kans groot is dat veel gemodificeerde zwaartekrachtvelden teniet worden gedaan door de LIGO-waarnemingen. Net als Hossenfelder gelooft hij dat het probleem voor MOND de schalen is die het beschrijft. "Moffat heeft gelijk: MOND doet het beter dan donkere materie op galactische schalen. Als je kijkt naar individuele sterrenstelsels en hun dynamische eigenschappen, heeft MOND het voordeel. MOND faalt echter op alle andere schalen." Sommige theorieën van Milgrom, zo zei hij, zouden kunnen overleven - als Milgrom's bewering dat zwaartekracht andere regels hanteert dan de materie in het universum, bijvoorbeeld waar is. "Dit is een theorie die deze zwaartekrachtgolfresultaten nog steeds kan overleven."
En ondanks zijn werk aan alternatieven voor de zwaartekracht, zei McGaugh dat er dingen zijn die alleen door donkere materie kunnen worden begrepen. "Ik zie niet hoe ik de kosmische microgolfachtergrond of clusters van sterrenstelsels (alle rijke clusters, niet alleen de bullet cluster) zonder het kan verklaren, " zegt hij. "Dat betekent niet dat het niet kan gebeuren, maar op dit moment Ik zie geen andere uitvoerbare verklaring. " Tegelijkertijd is hij nog niet toegewijd aan beide partijen. "Noch zijn overtuigend, " zegt hij.
Met andere woorden, verwacht dat het debat de komende tijd woedt - met de kracht van twee neutronensterren die botsen.
