Ze zeggen dat er de meest donkere materie in het universum is (als we het over materie in het algemeen hebben). En toch komen we het in het dagelijks leven praktisch niet tegen. We kennen de zon - het meest massieve object in het zonnestelsel - hij is gemaakt van gewone materie (protonen, neutronen en elektronen), maar er zijn veel andere bronnen, waaronder planeten, gas, stof, plasma en de overblijfselen van sterren. Donkere materie is er niet bij - en zelfs het standaardmodel beschrijft de deeltjes niet. Donkere materie is natuurlijk niet de enige manier om de waargenomen zwaartekrachtverschijnselen in het heelal te verklaren. Een andere optie is om de zwaartekrachtstheorie te wijzigen, wat velen al hebben geprobeerd te doen. Dit leidde tot het idee van Modified Newtonian Dynamics (MOND) en andere theorieën, die nog steeds populaire alternatieven zijn voor donkere materie.
Om ergens te beginnen, moeten we teruggaan naar de jaren 1800 en praten over een probleem dat al bestond lang voordat de "ontbrekende massa" (of "ontbrekende licht") donkere materie en MOND proberen op te lossen: het Uranus-Mercuriusprobleem. De zwaartekrachtwet van Newton, ontwikkeld door Newton in de jaren 1600, was ongelooflijk succesvol in het beschrijven van alles - voor zover we weten - dat het werd toegepast. Van de beweging van projectielen tot rollende objecten; van het gewicht van objecten tot het tikken van een slingeruurwerk; van het drijfvermogen van een boot tot de baan van de maan rond de aarde, de zwaartekracht van Newton faalde nooit.
De drie wetten van Kepler, een speciaal geval van de zwaartekrachtformule van Newton, werden in dezelfde mate toegepast op alle bekende planeten:
1. De planeten bewegen in ellipsen met de zon in een van de brandpunten.
2. Elke planeet beweegt in een vlak dat door het middelpunt van de zon gaat, en met gelijke tijdsintervallen beschrijft de straalvector die de zon en de planeet verbindt, gelijke gebieden.
3. De vierkanten van de omwentelingsperioden van de planeten rond de zon worden kubussen van de semi-hoofdassen van de banen van de planeten genoemd.
De bekende binnen- en buitenwereld gehoorzaamden allemaal deze wetten, zodat gedurende honderden jaren geen afwijkingen werden opgemerkt. Maar met de ontdekking van Uranus in 1781 veranderde er iets. Terwijl de laatste van de ontdekte planeten in een ellips rond de zon bewogen, bewoog hij zich met de verkeerde snelheid in vergelijking met de voorspelde zwaartekrachtwetten.
Promotie video:
In de eerste 20 jaar sinds de opening bewoog het sneller, elke nacht en elk jaar, dan de wetten voorschreven. Gedurende de volgende 20-25 jaar bewoog de planeet zich in strikte overeenstemming met de wetten. Maar toen vertraagde het en daalde de snelheid onder voorspeld.
Was er een fout in de zwaartekrachtwet? Kan zijn. Maar het is ook mogelijk dat er iets meer materie - iets onzichtbare, donkere materie - was dat Uranus beïnvloedde en verstoringen in zijn baan veroorzaakte. Dit lijkt meer op de waarheid. Na een theoretische oorlog tussen Urbain Le Verrier en John Coach Adams, die onafhankelijk werkten en voorspellingen deden over de locatie van de nieuwe planeet, werden de voorspellingen van Le Verrier op 23 september 1846 bevestigd door Johann Halle en zijn assistent Heinrich d'Arre. De planeet Neptunus werd ontdekt, het eerste object waarvan het bestaan werd afgeleid uit de effecten van zijn massa: gravitatie-invloed.
Aan de andere kant begon de binnenplaneet Mercurius - dankzij de verhoogde nauwkeurigheid van waarnemingen en in combinatie met seculiere gegevens - een nog vreemdere schending van de zwaartekrachtwetten te vertonen. Als de wetten van Kepler voorspelden dat de planeten in ideale ellipsen zouden bewegen met de zon in een van de brandpunten, dan op voorwaarde dat er geen andere massa's zijn die het systeem schenden of beïnvloeden. Maar er zijn geen massa's in de buurt en Mercurius beweegt niet langs een perfecte ellips. De ellips gaat in de loop van de tijd vooruit.
Door de zwaartekrachtwetten van Newton te gebruiken, konden we rekening houden met de invloed van alle bekende planeten (inclusief Neptunus). Als we dit allemaal hebben gedaan, zouden we ontdekken dat er een kleine discrepantie blijft tussen het voorspelde en het waargenomen: een precessie van 43 per eeuw, of 0,012 graden per eeuw. Maar dit was geen ongeluk.
Wat is de verklaring deze keer? Heeft deze nieuwe onzichtbare massa betrekking op het binnenste van Mercurius? Of is het echte probleem in de wet van de zwaartekracht geslopen? Een grondige zoektocht naar een antwoord op deze vraag leidde tot een nieuwe theoretische planeet Vulcan, die dichter bij de zon had moeten staan dan alle anderen. Maar er is geen Vulcan gevonden. De oplossing kwam in 1915 toen Einstein zijn algemene relativiteitstheorie uiteenzette.
Nu slaan we de tijd over tot de jaren zeventig - tot een aantal wetenschappelijke observaties door Vera Rubin. We observeren individuele sterrenstelsels - in het bijzonder randstelsels - en meten hun snelheidsprofielen. We kijken naar de ene kant van de melkweg en zien dat deze naar ons toe beweegt (door blauwe verschuiving), we kijken naar de andere - hij beweegt van ons af (door roodverschuiving), en zo bepalen we de rotatie van de melkweg. Wat verwachten we van hen? Net als ons zonnestelsel moeten de binnensterren sneller draaien, en hoe verder van het centrum, hoe lager de snelheid. Maar dat is niet wat we vinden.
In plaats daarvan blijft de rotatiesnelheid van elk afzonderlijk sterrenstelsel constant, ongeacht de afstand. Waarom? Nogmaals, er zijn twee opties: óf de wetten van de zwaartekracht moeten worden verbeterd, óf we moeten aannemen dat er een onzichtbare overtollige massa bestaat.
MOND werd voor het eerst opgemerkt door Moti Milgrom in 1981, die opmerkte dat als we de wet van de zwaartekracht bij zeer lage versnellingen zouden veranderen - zoiets als fracties van een nanometer per seconde in het kwadraat - we deze rotatiekrommen konden verklaren. Bovendien zou dezelfde modificatie, enkelvoudig en consistent, de rotatie van alle sterrenstelsels kunnen verklaren, van de kleinste tot de grootste. MOND doet het nog steeds en doet het goed.
Donkere materie daarentegen suggereert dat er naast de normale deeltjes van het standaardmodel en gewone materie van "protonen, neutronen en elektronen" waaruit bijna alles bestaat wat we weten, er een nieuw soort materie is. Om het rotatieverschijnsel te verklaren, werd voorgesteld om een grote halo van materie te introduceren die geen interactie heeft met licht, maar niet aan elkaar kleeft, en geen interactie heeft met gewone materie, behalve gravitatie. Dat was het idee van donkere materie.
Donkere materie kan deze rotatiecurves verklaren, maar doet het niet zo goed als MOND. Numerieke simulaties voor halo's, die zelfs de eenvoudigste modellen van donkere materie produceren, komen niet overeen met waarnemingen; halo's zijn te "omvergeworpen" in het midden en te "donzig" aan de rand. (Vanuit technisch oogpunt lijken ze meer isotherm te zijn dan verwacht). Kortom, MOND was in eerste instantie de duidelijke leider.
Maar daar, verder, begon het hele universum. Als je een nieuwe theorie voorstelt om een oude te vervangen - hoe de algemene relativiteitstheorie de wetten van Newton heeft vervangen - moet je theorie aan drie principes voldoen:
1. Het moet het volledige succes van de vorige leidende theorie weergeven.
2. Het moet het nieuwe fenomeen (of de fenomenen) waarvoor het is gemaakt met succes verklaren.
3. En ze moet nieuwe voorspellingen doen die experimenteel of observationeel geverifieerd, bevestigd of weerlegd zullen worden, zodat ze uniek is voor de nieuwe theorie.
We hebben het over alle successen van de vorige leidende theorie, en ze zijn talrijk.
Er is zwaartekrachtkromming van sterlicht door massa, sterke en zwakke zwaartekrachtlenzen. Er is het Shapiro-effect. Er is gravitationele tijddilatatie en gravitationele roodverschuiving. Er is het concept van de oerknal en het concept van een uitdijend universum. Er zijn bewegingen van sterrenstelsels binnen clusters en clustering van de sterrenstelsels zelf op de grootste schaal.
In het geval van al deze voorbeelden - allemaal - lijdt MOND een verpletterende nederlaag, hetzij door geen voorspellingen te doen, hetzij door voorspellingen te doen die frustrerend inconsistent zijn met de beschikbare gegevens. Je kunt er terecht op wijzen dat MOND nooit bedoeld was als een complete theorie, maar eerder als een beschrijving van één fenomeen dat zou kunnen leiden tot een completere theorie. Veel mensen werken aan een MOND-extensie die deze observaties zou kunnen verklaren, maar het mocht niet baten.
Maar als je de zwaartekrachtwet van Einstein voortzet en gewoon een nieuw ingrediënt toevoegt, koude donkere materie, kun je alles uitleggen, inclusief enkele nieuwe ongebruikelijke nuances.
Je kunt het clusteringpatroon dat wordt waargenomen in de grootschalige structuur van het universum verklaren als je vijf keer meer donkere materie hebt dan gewone materie.
En wat nog indrukwekkender is, is dat je een compleet nieuwe voorspelling kunt doen: wanneer twee clusters van sterrenstelsels botsen, warmt het gas erin op, vertraagt het en zendt het röntgenstraling uit, terwijl de massa die we zien met zwaartekrachtlenzen de donkere materie volgt en wordt vervangen door röntgenstralen. Deze nieuwe voorspelling is experimenteel bevestigd en houdt al tien jaar stand, wat een indirecte bevestiging geeft van het bestaan van donkere materie.
MOND heeft het voordeel galactische rotatiecurves beter uit te leggen dan donkere materie. Maar dit is geen natuurkundige theorie en past niet bij de volledige reeks waarnemingen die we hebben. Donkere materie bestaat - althans in theorie - omdat het ons hetzelfde universum geeft, consistent, zonder enige modificatie.
Maar de huidige tegenslagen van MOND, kosmologisch, plaatsen het onder donkere materie. Laat hem alle successen van de algemene relativiteitstheorie reproduceren, nieuwe verschijnselen verklaren, voorspellingen doen die kunnen worden bevestigd - en wetenschappers zullen ongetwijfeld tot een nieuw geloof bekeren. Het zijn tenslotte goede wetenschappers.
