Donkere materie onze evaluatie suggereert dat het tijd is om

Donkere materie: onze evaluatie suggereert dat het tijd is om het te dumpen ten gunste van een nieuwe theorie van de zwaartekracht

Het balkspiraalstelsel UGC 12158. Wikimedia , CC BY-SA

We kunnen de bewegingen van planeten in het zonnestelsel vrij nauwkeurig modelleren met behulp van de natuurkundige wetten van Newton. Maar in het begin van de jaren zeventig merkten wetenschappers dat dit niet werkte voor schijfstelsels – sterren aan hun buitenranden, ver van de zwaartekracht van alle materie in hun centrum – bewogen veel sneller dan de theorie van Newton voorspelde.

Daarom stelden natuurkundigen voor dat een onzichtbare stof, “donkere materie” genaamd, extra aantrekkingskracht uitoefende, waardoor de sterren sneller gingen bewegen – een theorie die enorm populair is geworden. In een recent overzicht stellen mijn collega’s en ik echter dat waarnemingen op een groot aantal schalen veel beter te verklaren zijn met een alternatieve theorie van de zwaartekracht, voorgesteld door de Israëlische natuurkundige Mordehai Milgrom in 1982, genaamd Milgromiaanse dynamica of Mond – waarvoor geen onzichtbare materie nodig is.

Het belangrijkste postulaat van Mond is dat wanneer de zwaartekracht zeer zwak wordt, zoals gebeurt aan de rand van sterrenstelsels, zij zich anders begint te gedragen dan de Newtoniaanse natuurkunde. Op deze manier is het mogelijk te verklaren waarom sterren, planeten en gas in de buitenranden van meer dan 150 melkwegstelsels sneller ronddraaien dan verwacht wordt op basis van alleen hun zichtbare massa. Maar Mond verklaart dergelijke rotatiecurves niet alleen, in veel gevallen voorspelt hij ze ook.

Wetenschapsfilosofen hebben betoogd dat dit vermogen om voorspellingen te doen Mond superieur maakt aan het standaard kosmologisch model, dat voorstelt dat er meer donkere materie in het heelal is dan zichtbare materie. Dit komt omdat, volgens dit model, sterrenstelsels een zeer onzekere hoeveelheid donkere materie hebben die afhangt van details over hoe het sterrenstelsel is gevormd – die we niet altijd kennen. Daardoor is het onmogelijk te voorspellen hoe snel sterrenstelsels moeten draaien. Maar dergelijke voorspellingen worden routinematig gedaan met Mond, en tot dusver zijn deze bevestigd.

Stel je voor dat we de verdeling van de zichtbare massa in een melkwegstelsel kennen, maar nog niet de rotatiesnelheid. In het standaard kosmologisch model zou men alleen met enige zekerheid kunnen zeggen dat de rotatiesnelheid aan de rand tussen de 100 km/s en 300 km/s zal uitkomen. Mond doet een meer definitieve voorspelling dat de rotatiesnelheid in het bereik van 180-190km/s moet liggen.

Als waarnemingen later een omwentelingssnelheid van 188 km/s aantonen, dan is dat in overeenstemming met beide theorieën – maar Mond heeft duidelijk de voorkeur. Dit is een moderne versie van Occam’s scheermes – dat de eenvoudigste oplossing de voorkeur verdient boven complexere, in dit geval dat we waarnemingen moeten verklaren met zo weinig mogelijk “vrije parameters”. Vrije parameters zijn constanten – bepaalde getallen die we in vergelijkingen moeten stoppen om ze te laten werken. Maar zij worden niet door de theorie zelf gegeven – er is geen reden waarom zij een bepaalde waarde zouden moeten hebben – dus moeten wij ze waarnemen. Een voorbeeld is de gravitatieconstante, G, in Newtons zwaartekrachttheorie of de hoeveelheid donkere materie in melkwegstelsels binnen het standaard kosmologisch model.

Wij hebben een begrip geïntroduceerd dat bekend staat als “theoretische flexibiliteit” om het onderliggende idee van het scheermes van Occam weer te geven, namelijk dat een theorie met meer vrije parameters consistent is met een breder scala van gegevens – waardoor zij complexer is. In ons overzicht hebben wij dit concept gebruikt bij het toetsen van het standaard kosmologisch model en Mond aan verschillende astronomische waarnemingen, zoals de draaiing van melkwegstelsels en de bewegingen binnen clusters van melkwegstelsels.

Telkens gaven we een theoretische flexibiliteitsscore tussen -2 en +2. Een score van -2 geeft aan dat een model een duidelijke, precieze voorspelling doet zonder naar de gegevens te gluren. Omgekeerd betekent +2 dat “alles kan” – theoretici zouden in staat zijn geweest om bijna elk plausibel waarneemresultaat te passen (omdat er zoveel vrije parameters zijn). We beoordeelden ook hoe goed elk model overeenkomt met de waarnemingen, waarbij +2 staat voor een uitstekende overeenkomst en -2 gereserveerd is voor waarnemingen die duidelijk aantonen dat de theorie fout is. Vervolgens trekken we de score voor de theoretische flexibiliteit af van die voor de overeenstemming met de waarnemingen, want goed overeenkomen met de gegevens is goed – maar overal in passen is slecht.

Een goede theorie zou duidelijke voorspellingen doen die later worden bevestigd, en zou idealiter een gecombineerde score van +4 krijgen in veel verschillende tests (+2 -(-2) = +4). Een slechte theorie zou een score krijgen tussen 0 en -4 (-2 -(+2)= -4). Nauwkeurige voorspellingen zouden in dit geval falen – het is onwaarschijnlijk dat deze werken met de verkeerde fysica.

Wij vonden een gemiddelde score voor het standaard kosmologisch model van -0.25 over 32 tests, terwijl Mond een gemiddelde van +1.69 haalde over 29 tests. De scores voor elke theorie in veel verschillende tests worden getoond in figuren 1 en 2 hieronder voor respectievelijk het standaard kosmologisch model en Mond.

Vergelijking van het standaard kosmologisch model met waarnemingen

Vergelijking van het standaard kosmologisch model met waarnemingen op basis van hoe goed de gegevens overeenkomen met de theorie (oplopend van onder naar boven) en hoeveel flexibiliteit het had in de fit (oplopend van links naar rechts). De holle cirkel wordt niet meegerekend in onze beoordeling, omdat die gegevens werden gebruikt om vrije parameters in te stellen. Overgenomen uit tabel 3 van onze beoordeling.
Arxiv

Vergelijking van MOND met waarnemingen

Vergelijkbaar met figuur 1, maar dan voor Mond met hypothetische deeltjes die alleen via de zwaartekracht op elkaar inwerken, steriele neutrino’s genaamd. Let op het gebrek aan duidelijke falsificaties. Overgenomen uit tabel 4 van onze review.
Arxiv

Het is onmiddellijk duidelijk dat er geen grote problemen werden vastgesteld voor Mond, dat op zijn minst aannemelijk overeenkomt met alle gegevens (merk op dat de onderste twee rijen die falsificaties aangeven leeg zijn in figuur 2).

De problemen met donkere materie

Een van de meest opvallende mislukkingen van het standaard kosmologisch model heeft te maken met “melkwegstaven” – staafvormige heldere gebieden van sterren – die spiraalstelsels vaak in hun centrale regio’s hebben (zie afbeelding in de hoofdrol). De staven roteren in de loop van de tijd. Als sterrenstelsels ingebed zouden zijn in massieve halo’s van donkere materie, zouden hun staven langzamer draaien. De meeste, zo niet alle, waargenomen staven van sterrenstelsels zijn echter snel. Dit falsifieert het standaard kosmologisch model met zeer grote zekerheid.

Een ander probleem is dat de oorspronkelijke modellen die suggereerden dat sterrenstelsels donkere materie halo’s hebben een grote fout maakten – zij namen aan dat de donkere materie deeltjes zwaartekracht leverden aan de materie er omheen, maar niet werden beïnvloed door de zwaartekracht van de normale materie. Dit vereenvoudigde de berekeningen, maar het komt niet overeen met de werkelijkheid. Toen hiermee in latere simulaties rekening werd gehouden, was het duidelijk dat halo’s van donkere materie rond sterrenstelsels hun eigenschappen niet op betrouwbare wijze verklaren.

Er zijn nog vele andere mislukkingen van het standaard kosmologisch model die we in ons overzicht hebben onderzocht, waarbij Mond vaak in staat is om de waarnemingen op natuurlijke wijze te verklaren. De reden dat het standaard kosmologisch model desondanks zo populair is, zou te wijten kunnen zijn aan rekenfouten of beperkte kennis over de tekortkomingen ervan, waarvan sommige vrij recent zijn ontdekt. Het zou ook te wijten kunnen zijn aan de terughoudendheid van mensen om een zwaartekrachttheorie aan te passen die op vele andere gebieden van de fysica zo succesvol is geweest.

De enorme voorsprong van Mond op het standaard kosmologisch model in onze studie leidde ons tot de conclusie dat Mond sterk wordt bevoordeeld door de beschikbare waarnemingen. Hoewel we niet beweren dat Mond perfect is, denken we toch dat het de grote lijnen juist weergeeft – sterrenstelsels hebben echt geen donkere materie.

The Conversation

Indranil Banik wordt betaald uit een door de STFC toegekende subsidie, waarvan het hoofddoel is MOND te testen met behulp van brede dubbelsterren in de buurt van de zon.