Nieuwe zwaartekrachttheorie zonder donkere materie

[lowlandsrouter]

Een aangepaste theorie van zwaartekracht dat gebruik maakt van kwantumeffecten, levert een verklaring voor niet minder dan drie astronomische raadsels – inclusief de merkwaardige beweging die de Pioneer-ruimtesonde maakt tijdens zijn reis aan de rand van het zonnestelsel. De nieuwe theorie ontdoet zich bovendien van donkere materie.

Sinds de jaren ’70 beseffen sterrenkundigen dat de zwaartekracht van alle zichtbare materie lang niet voldoende is om sterrenstelsels hun structuur te laten behouden. Het resultaat is dat men handmatig extra zwaartekracht invoerde via een mysterieuze substantie die donkere materie wordt genoemd. De verhouding tussen donkere en gewone materie bedraagt 6:1. De meeste donkere materie bevindt zich in een halo rond de sterrenstelsels. Er zijn vele verklaringen voor donkere materie uitgevonden, zoals MACHO’s (Massive Compact Halo Objects), WIMP’s (Weakly Interacting Massive Particles) en MOND (Modified Newtonian Dynamics).

MOND stelt dat er twee vormen van zwaartekracht bestaan. Als een object onder een bepaalde snelheid komt, voelt hij ineens een ander soort zwaartekracht. MOND heeft echter alsnog een vorm van donkere materie nodig om de bewegingen van sterrenstelsels in clusters te verklaren.

Nu hebben wetenschappers van het Perimeter Institute for Theoretical Physics en de Universiteit van Waterloo, Canada, een nieuwe theorie opgesteld, die de bewegingen van zowel sterrenstelsels als clusters van sterrenstelstelsels kan verklaren. Ze noemen de theorie STVG: scalar-tensor-vector-gravity (dat ga ik maar niet proberen te vertalen). Zij combineren hierin Einstein's relativeitstheorie met kwantummechanica, en stellen dat kwantumfluctuaties in het vacuüm de zwaartekracht die objecten voelen sterk kunnen beïnvloeden.

Kwantummechanica stelt dat het hele heelal gevuld is met virtuele deeltjes: deeltjes die spontaan uit het niets verschijnen door gebruik te maken van de energie van het vacuum. Die deeltjes vervallen vrijwel meteen weer tot vacuumenergie. De levensduur van deze deeltjes is zo kort dat ze door geen enkele deeltjesvanger kunnen worden opgemerkt. Vandaar dat ze virtueel worden genoemd, wat zoiets betekend als ‘niet echt’. De kwantumeffecten van deze deeltjes zijn wel degelijk echt en kunnen gemeten worden.


De nieuwe theorie van zwaartekracht gebruikt een deeltje waarvan het bestaan nog nooit is bewezen, maar waarvan vrijwel iedere wetenschapper in de wereld niet aan twijfelt: het graviton, de overbrenger van zwaartekracht.

Gravitonen bestaan ook als virtuele deeltjes. De nieuwe theorie stelt dat gravitonen zich nogal merkwaardig gedragen als virtuele deeltjes: hoe meer echte gravitonen aanwezig zijn, hoe meer virtuele gravitonen uit het niets tevoorschijn ploppen. Het is alsof de zwaartekracht sterker is in sommige gebieden, en minder sterk in andere. Het resultaat is dat de zwaartekracht op een bepaalde afstand van een grote massa (zoals de kern van een sterrenstelsel) een fase-verandering ondergaat en zich anders gaat gedragen.

De theorie voorspelt dat in grote sterrenstelsels de faseverandering plaatsvindt op 46,000 lichtjaar van de grootste massa (de kern). Buiten die afstand gedragen sterren zich ineens heel anders. Via de nieuwe theorie kan de rotatie van sterrenstelsels juist voorspelt worden, zonder spookachtige donkere materie nodig te hebben. Uiteraard zijn virtuele deeltjes net zo spookachtig, maar hun virtuele bestaan kan aangetoond worden en de aard van donkere materie is nog volledig onbekend.

Zowel STVG en MOND kunnen de bewegingen verklaren van ongeveer 101 sterrenstelsels die gebruikt zijn om STVG te testen. Als het gaat om de bewegingen van 106 clusters van sterrenstelsels die in de test gebruikt zijn gaan de twee theorien van elkaar verschillen. Hier heeft MOND alsnog een grote hoeveelheid donkere materie nodig, maar met STVG valt alles veel beter op zijn plaats.

Verder heeft het STVG-team hun theorie toegepast op een ander kosmologisch raadsel: de Pioneer-anomalie. De 34-jaar oude Pioneer-ruimtesonde bevindt zich ergens in het buitenzonnestelsel. Enkele jaren geleden hebben wetenschappers geprobeerd of de sonde nog werkte en ze wilden graag weten waar de Pioneer ergens uithing.

Tot hun grote verbazing was de sonde 400,000 kilometer van zijn voorspelde positie verwijderd. Geen enkele zwaartekrachtstheorie kon dat verklaren. STVG voorspelt de positie van de sonde echter tot op de kilometer nauwkeurig.

Toch moeten de belangrijkste testen nog volgen van de STVG-theorie. Een échte nieuwe theorie van zwaartekracht moet namelijk de structuur op grote schaal in het heelal verklaren en, de belangrijkste test, een verklaring geven voor de nagloed van de oerknal. Deze nagloed staat bekend als de kosmische achtergrondstraling en is het resultaat van de vorming van de allereerste atomen, 370.000 jaar na de oerknal.

Het model van donkere materie is verre van perfect maar weet wel de waargenomen achtergrondstraling precies te voorspellen, en kan ook perfect toegepast worden op de ontwikkeling van de grote-schaal-structuur van het heelal. Het is voorlopig even afwachten of STVG dat net zo goed kan. Het worden in ieder geval spannende tijden voor kosmologen!

Bron: New Scientist

Meer reacties op dit artikel

Harstikke gaaf dit, tijd zal uitwijzen hoe betrouwbaar deze theorie is, maar geef toe dat ze de positie van Pioneer hebben kunnen bepalen ziet er hoopgevend uit.

[Japairman]

Zeer Interresant!