Metingen van de zwaartekracht van 259.000 geïsoleerde sterrenstelsels tonen een bijzonder nauw verband aan tussen de bijdrage van donkere materie en die van gewone materie, zoals voorspeld in de emergente-zwaartekrachttheorie en een alternatieve zwaartekrachtstheorie met de naam Modified Newtonian Dynamics. De resultaten lijken echter ook overeen te komen met een computersimulatie van het heelal, die uitgaat van donkere materie als ‘echt spul’.
Er heerst al jarenlang een tweestrijd onder astronomen en natuurkundigen. Is de mysterieuze donkere materie die diep in het heelal wordt waargenomen nu écht, of zien we de gevolgen van subtiele afwijkingen van de ons bekende zwaartekrachtswetten? In 2016 kwam de Nederlandse natuurkundige Erik Verlinde met een theorie van de tweede soort: emergente zwaartekracht.
Nieuw onderzoek, deze week gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics, verlegt de grens van donkerematerie-waarnemingen tot in de onbekende buitenregionen van sterrenstelsels, en legt daarmee verschillende donkerematerie-modellen en alternatieve zwaartekrachttheorieën langs de meetlat.
Het onderzoek werd uitgevoerd door een internationale groep sterrenkundigen, onder leiding van Margot Brouwer (RUG en UvA). Verdere belangrijke rollen waren weggelegd voor Kyle Oman (RUG en Durham University) en Edwin Valentijn (RUG). Brouwer voerde in 2016 al een eerste test van de ideeën van Verlinde uit; dit keer sloot Verlinde zelf zich ook bij het onderzoeksteam aan.
Onzichtbare materie of zwaartekracht?
Donkere materie is nog nooit direct waargenomen – vandaar ook de naam. Wat astronomen aan de hemel zien zijn de gevolgen van mogelijk aanwezige materie: het afbuigen van sterlicht, het sneller dan verwacht bewegen van sterren, en zelfs effecten die de beweging van hele sterrenstelsels beïnvloeden. Dat al die effecten komen door extra zwaartekracht staat buiten kijf, maar de vraag is: zien we nu de gevolgen van daadwerkelijk aanwezige onzichtbare materie, of zijn het de wetten van de zwaartekracht zélf die we nog niet goed begrijpen?
Om die vraag te kunnen beantwoorden gebruikt het nieuwe onderzoek eenzelfde methode als bij de eerste test in 2016. Brouwer en collega’s maken gebruik van een al tien jaar lopend programma van digitale fotografische metingen met ESO’s VLT Survey Telescope in Chili: de KiloDegree Survey (KiDS). Daarin wordt gemeten hoe sterlicht van ver weg gelegen sterrenstelsels onderweg door de zwaartekracht wordt afgebogen voordat het onze telescopen bereikt. Waar de metingen van zulke ‘lenseffecten’ in 2016 nog een gebied van zo’n 180 vierkante graden aan de hemel bestreken, is de reikwijdte inmiddels uitgebreid tot 1000 vierkante graden, waardoor nu van circa een miljoen verschillende sterrenstelsels de zwaartekrachtverdeling gemeten kan worden.
Brouwer en collega’s selecteerden meer dan 259.000 geïsoleerde sterrenstelsels, waarvan ze de zogeheten ‘Radial Acceleration Relation’ (RAR) konden meten. De RAR vergelijkt de hoeveelheid zwaartekracht die men zou verwachten op grond van de zichtbare materie in een sterrenstelsel, met de hoeveelheid zwaartekracht die daadwerkelijk aanwezig is – oftewel: er wordt bepaald hoeveel ‘extra’ zwaartekracht er bestaat, bovenop die van de normale materie.
Tot nu toe was die extra zwaartekracht alleen bepaald tot aan de buitenranden van sterrenstelsels door te kijken naar de beweging van sterren, en tot vijf keer daar voorbij met behulp van metingen van de draaisnelheid van koud gas. Met behulp van de lenseffecten slaagden de onderzoekers er nu in om de RAR voor een honderd keer kleinere zwaartekracht te meten dan voorheen, en daarmee door te dringen tot in de veel verdere buitengebieden van sterrenstelsels.
Jonge en oude sterrenstelsels
Omdat gegevens van zo veel sterrenstelsels beschikbaar waren, kon ook onderscheid worden gemaakt tussen de uitkomsten voor relatief jonge blauwe spiraalvormige stelsels en relatief oude rode elliptische stelsels – twee soorten sterrenstelsels met een heel verschillende vormingsgeschiedenis. Naar verwachting zou daarom ook de verhouding tussen normale en donkere materie in deze stelsels kunnen verschillen. Modellen zoals die van Verlinde en MOND gebruiken daarentegen geen donkerematerie-deeltjes, en voorspellen daarom een vaste relatie tussen de verwachte en de gemeten zwaartekracht – onafhankelijk van het type sterrenstelsel.
Bij het nieuwe onderzoek is ontdekt dat de RAR voor de twee soorten sterrenstelsels significant verschilt. Dat zou dus een sterke aanwijzing voor het bestaan van ‘echte’ donkere materie kunnen zijn. Maar er zit nog een addertje onder het gras: gas. Veel sterrenstelsels worden waarschijnlijk omhuld door een diffuse wolk heet gas, die heel moeilijk waar te nemen is. Als er rondom de jonge blauwe spiraalstelsels bijna geen gas zit, maar rondom de oude rode elliptische stelsels juist veel (met grofweg evenveel massa als de sterren), dan zou dat het verschil tussen de RAR van de twee typen sterrenstelsels kunnen verklaren. Om een definitieve uitspraak te doen over het gemeten verschil moet de hoeveelheid diffuus gas dus óók nauwkeurig worden gemeten.
Als blijkt dat extra gas het verschil tussen de twee typen stelsels níét kan verklaren, zijn de resultaten van de metingen met donkerematerie-deeltjes makkelijker voorstelbaar dan aan de hand van alternatieve zwaartekrachtsmodellen. Maar zelfs dan is de strijd tussen donkere materie als deeltje en als alternatieve zwaartekracht waarschijnlijk nog niet beslecht.
