[PWC-MEDIA] [NOVA-perslijst2] Persbericht: Donkere materie: ‘echt spul’ of onbegrepen zwaartekracht?

From: "Marieke Baan" <dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> (Redacted sender "H.M.Baan" for DMARC)
To: "nova-perslijst1@list uva nl" <nova-perslijst1@xxxxxxxxxxx>, "nova-perslijst2@list uva nl" <nova-perslijst2@xxxxxxxxxxx>, "nova-astronomen@list uva nl" <nova-astronomen@xxxxxxxxxxx>
Date: Tue, 22 Jun 2021 06:53:07 +0000

P E R S B E R I C H T

Nederlandse Onderzoekschool voor Astronomie (NOVA)
---------------------------------------------------------------------------------------------------
22 juni 2021

Donkere materie: ‘echt spul’ of onbegrepen zwaartekracht?

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 het tijdschrift 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.

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 van
Verlinde en een alternatieve theorie 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’.

Het nieuwe 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
voor Edwin Valentijn (RUG). Brouwer voerde in 2016 al een eerste test van de
ideeën van
Verlinde<https://www.astronomie.nl/nieuws/verlindes-nieuwe-theorie-voor-het-eerst-getest-met-zwaartekrachtlenzen-1174>
uit; dit keer sloot Verlinde zelf zich ook bij het onderzoeksteam aan.

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, waarmee nu rondom een miljoen verschillende sterrenstelsels
de zwaartekrachtverdeling gemeten kan worden.

Vergelijkend warenonderzoek
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 van zwaartekracht slaagden deze 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.

Daarmee kon de extra zwaartekracht extreem goed gemeten worden – maar is die
zwaartekracht nu een gevolg van onzichtbare donkere materie, of zijn het de
zwaartekrachtwetten zelf die we moeten aanpassen? Auteur Kyle Oman geeft aan
dat de aanname van ‘echt spul’ in elk geval deels lijkt te werken: “We
vergelijken de metingen in ons onderzoek met vier verschillende modellen: twee
waarin het bestaan van donkerematerie-deeltjes wordt aangenomen waarmee het
heelal in computers wordt gesimuleerd, en twee waarin de zwaartekrachtwetten
worden aangepast – het emergente-zwaartekrachtmodel van Erik Verlinde en de
‘Modified Newtonian Dynamics’, MOND.

Een van de twee donkerematerie-simulaties, MICE, doet voorspellingen die
uitstekend in overeenstemming zijn met onze metingen. We waren verrast dat de
voorspellingen van de andere simulatie, BAHAMAS, heel anders waren. Dat er
überhaupt een verschil was kwam al als een verrassing, omdat de twee modellen
veel overeenkomsten hebben. Maar bovendien hadden we verwacht dat, áls er al
een verschil was, BAHAMAS het juist beter zou doen. BAHAMAS is een
gedetailleerder model dan MICE, dat nauwkeuriger ons huidige begrip van hoe
sterrenstelsels zich vormen in een universum met donkere materie benadert. Toch
presteert juist MICE veel beter als we de uitkomsten met de metingen
vergelijken. In de toekomst willen we aan de hand van wat we nu gevonden hebben
nader onderzoeken wat de reden is voor het verschil tussen de simulaties.”

Jonge en oude sterrenstelsels
Daarmee lijkt dus ten minste één donkerematerie-verklaring wél te passen. Ook
de alternatieve zwaartekrachtmodellen voorspellen echter de gemeten RAR. Gelijk
spel dus, lijkt het, maar hoe weten we nu welk model écht klopt? Margot
Brouwer, die het onderzoek leidde, vervolgt: “Na onze eerste tests
concludeerden we dat de twee alternatieve zwaartekrachttheorieën en MICE
redelijk overeenkwamen met onze waarnemingen. Het spannendste kwam echter nog:
omdat we meer dan 259.000 sterrenstelsels tot onze beschikking hadden, konden
we ze ook opsplitsen in verschillende types: relatief jonge blauwe
spiraalvormige stelsels tegenover relatief oude rode elliptische stelsels.” Die
twee typen sterrenstelsels hebben een heel verschillende vormingsgeschiedenis:
rode elliptische stelsels ontstaan uit interacties tussen verschillende
sterrenstelsels, bijvoorbeeld als twee blauwe spiralen langs elkaar scheren of
zelfs samensmelten. Men verwacht binnen de deeltjestheorie van donkere materie
dat de verhouding tussen normale en donkere materie in die twee typen
sterrenstelsels kan 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. Brouwer: “We ontdekten dat de RAR voor de twee
typen sterrenstelsels significant verschilde. Dat zou dus een sterke aanwijzing
voor donkere materie als deeltje 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 – en laat dat nu net onmogelijk zijn met de KiDS-telescopen. Er zijn
wel metingen gedaan voor een kleine groep van zo’n honderd sterrenstelsels,
waarbij inderdaad meer gas gevonden werd rond elliptische sterrenstelsels, maar
het is nog de vraag hoe representatief die metingen zijn voor de 259.000
stelsels die in het huidige onderzoek werden bestudeerd.

Donkere materie op voorsprong?
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. Toch is zelfs dan de wedstrijd nog niet gespeeld.
Hoewel het verschil lastig te verklaren is binnen MOND, ziet Erik Verlinde nog
wel een uitweg voor zijn eigen theorie. Verlinde: “Mijn huidige model is alleen
toepasbaar op statische, geïsoleerde, bolvormige sterrenstelsels, en kan
daarmee inderdaad de verschillende typen sterrenstelsels nog niet goed van
elkaar onderscheiden. Ik zie deze resultaten dan ook als een uitdaging en
inspiratie om aan de slag te gaan met een asymmetrische, dynamische versie van
mijn theorie, waarin ook meegenomen kan worden dat sterrenstelsels met een
verschillende vorm en vormingsgeschiedenis een verschillende hoeveelheid
‘schijnbare donkere materie’ hebben.”

Zelfs met de nieuwe metingen is de strijd tussen donkere materie als deeltje en
alternatieve zwaartekracht dus nog niet beslecht. Toch betekenen de resultaten
een enorme stap voorwaarts: als het gemeten zwaartekrachtsverschil tussen de
diverse soorten sterrenstelsels klopt, dan zal het juiste model, van welke
soort ook, in elk geval nauwkeurig genoeg moeten zijn om dit te verklaren. Veel
bestaande modellen zouden dan al direct de prullenbak in kunnen, en dat dunt
het landschap van mogelijke verklaringen sterk uit. Daarbij vraagt dit
onderzoek om systematische metingen van het hete gas rond sterrenstelsels.
Edwin Valentijn formuleert het als volgt: “We hebben als waarnemers het punt
bereikt waar we de hoeveelheid extra zwaartekracht rondom sterrenstelsels
nauwkeuriger kunnen meten dan hun hoeveelheid zichtbare materie. De
tegenstrijdige conclusie is dat we de aanwezigheid van normale materie in de
vorm van heet gas rond sterrenstelsels nader zullen moeten onderzoeken,
voordat we met toekomstige telescopen als Euclid het mysterie van donkere
materie definitief op kunnen lossen.”

E I N D E P E R S B E R I C H T
---------------------------------------------------------------------------------------------------
Meer informatie

Contact:
Dr. Margot Brouwer, e-mail:
margot.brouwer@xxxxxxxxx<mailto:margot.brouwer@xxxxxxxxx>, tel.: +31 (0)6
52576516
Dr. Kyle Oman, e-mail:
kyle.a.oman@xxxxxxxxxxxx<mailto:kyle.a.oman@xxxxxxxxxxxx>, tel.: +44 7376 934098
Prof. Dr. Edwin A. Valentijn, e-mail:
valentyn@xxxxxxxxxxxx<mailto:valentyn@xxxxxxxxxxxx>, tel.: +31 (0)6 48276416

Artikel: The weak lensing radial acceleration relation: Constraining modified
gravity and cold dark matter theories with KiDS-1000. Brouwer at al. (A&A 2021,
650, A113).
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2021/06/aa40108-20/aa40108-20.html

Beeld:
Afbeelding 1: In het midden het elliptische sterrenstelsel NGC5982, rechts
daarvan het spiraalvormige sterrenstelsel NGC5985. Deze twee soorten
sterrenstelsels blijken zich heel verschillend te gedragen als het gaat om de
extra zwaartekracht – en dus mogelijk de donkere materie – in de buitengebieden
van de stelsels. Foto: Bart Delsaert (www.delsaert.com<https://delsaert.com/>).

Afbeelding 2: Een grafiek van de Radial Acceleration Relation (RAR). Op de
achtergrond een foto van het elliptische sterrenstelsel M87, om de afstand tot
de kern van het sterrenstelsel aan te geven. De grafiek toont hoe de
meetwaarden lopen van hoge zwaartekrachtsversnelling in het centrum van het
sterrenstelsel, naar lage zwaartekrachtsversnelling ver buiten het
sterrenstelsel. Afbeelding: Chris Mihos (Case Western Reserve University) /
ESO<https://www.eso.org/public/images/eso1525a/>.

Opgemaakt persbericht op www.astronomie.nl/<http://www.astronomie.nl/>
---------------------------------------------------------------------------------------------------

[cid:221686F3-F80F-4773-BAD2-C64D539D195B][cid:66CEB83D-E227-4D7F-82DE-85B81275C25D]

_______________________________________________
NOVA-perslijst2 mailing list
NOVA-perslijst2@xxxxxxxxxxx
https://list.uva.nl/mailman/listinfo/nova-perslijst2

[PWC-MEDIA] [NOVA-perslijst2] Persbericht: Donkere materie: ‘echt spul’ of onbegrepen zwaartekracht?

Other related posts: