Aantrekking kracht tussen sterren

[wnvl1]

De voor de hand liggende verklaringen zullen ongetwijfeld al uitvoerig onderzocht zijn. Er werken immers al tientallen jaren heel wat topwetenschappers aan dit probleem. Als ik zelf wetenschapper was, zou ik waarschijnlijk niet meteen voor dit onderzoeksgebied kiezen. Als donkere materie werkelijk nergens mee interageert behalve via de zwaartekracht, dan is het misschien onmogelijk om haar ooit rechtstreeks te detecteren. Dat lijkt me bijzonder frustrerend.

[HansH]

De voor de hand liggende verklaringen zullen ongetwijfeld al uitvoerig onderzocht zijn. Er werken immers al tientallen jaren heel wat topwetenschappers aan dit probleem. Als ik zelf wetenschapper was, zou ik waarschijnlijk niet meteen voor dit onderzoeksgebied kiezen. Als donkere materie werkelijk nergens mee interageert behalve via de zwaartekracht, dan is het misschien onmogelijk om haar ooit rechtstreeks te detecteren. Dat lijkt me bijzonder frustrerend.

De eerste te zijn om erachter komen dat donkere materie uiteindelijk helemaal niet bestaat en het gevolg is van onvolledige zwaartekrachtsberekeningen zou juist het tegenmovergestelde opleveren van 'bijzonder frustrerend'

vandaar dat ik verwacht dat men daar ook aan werkt.

[Regor]

Natuurlijk bestaat "donkere materie" niet ...... één van de grootste misbaksels in de wetenschap van de laatste decennia!
Helaas een lucratieve bezigheid voor vele wetenschappers.

[wnvl1]

Natuurlijk bestaat "donkere materie" niet ...... één van de grootste misbaksels in de wetenschap van de laatste decennia!
Helaas een lucratieve bezigheid voor vele wetenschappers.

Waarom zou dat niet kunnen? De zwaartekracht werkt op alles wat energie en impuls heeft. Een deeltje hoeft niet noodzakelijk te koppelen aan het elektromagnetische veld, het sterke kernkrachtveld of het zwakke kernkrachtveld om toch zwaartekracht uit te oefenen en te ondervinden. In de ART is zwaartekracht geen "kracht" zoals de andere fundamentele interacties, maar een gevolg van de kromming van de ruimtetijd door energie en massa. Een deeltje kan dus volledig "donker" zijn voor alle bekende detectoren en toch via zijn energie de ruimtetijd krommen.

[HansH]

ja dat is de definitie van donkere materie en hoe het het probleem van de tekort komende zwaartekracht oplost. Maar het gaat erom of het bestaan of niet. Als het een materievorm is die we niet kunnen verklaren uit de bestaande combinatie van elementaire bouwstenen, hoe kan het dan dat we er toch in geloven en niet op zoek gaan naar een betere verklaring in de richting van de zwaartekracht werking?

[wnvl1]

Ze zoeken wél naar betere verklaringen in de zwaartekracht, maar "donkere materie" verklaart simpelweg veel meer fenomenen tegelijkertijd dan de alternatieven. Als het alleen om de rotatiesnelheid van sterrenstelsels ging, dan had een aangepaste zwaartekrachttheorie allang gewonnen. Maar donkere materie lost een hele reeks andere kosmologische puzzels op waar zwaartekrachttheorieën over struikelen.

• De Kosmische Achtergrondstraling (CMB): Dit is het "baby-foto" van het vroege heelal, de straling die kort na de oerknal is vrijgekomen. De minieme temperatuurschommelingen daarin laten zich perfect voorspellen als er exact vijf keer zoveel niet-baryonische (donkere) materie is als normale materie. Een aangepaste zwaartekrachttheorie krijgt dit patroon statistisch gezien bijna niet sluitend.
• Zwaartekrachtlenzen (Gravitational Lensing): Massa buigt licht af. Als we naar clusters van sterrenstelsels kijken, zien we dat het licht veel sterker wordt afgebogen dan de zichtbare materie kan verklaren. Er móét daar een enorme hoeveelheid onzichtbare massa liggen.
• De Bullet Cluster: Dit is het ultieme "smoking gun"-bewijs. Twee clusters van sterrenstelsels zijn door elkaar heen gecrasht. Het normale gas (dat botst en opwarmt) bleef in het midden hangen. Maar de zwaartekrachtlenzen laten zien dat de massa gewoon is doorgelopen, alsof twee spooklegers door elkaar heen liepen. Dit bewijst dat de bron van de extra zwaartekracht zich fysiek kan scheiden van normale materie. Dat kun je met een aangepaste zwaartekrachtwet (die immers altijd gelinkt is aan waar de normale materie zich bevindt) extreem moeilijk verklaren.

Er is een grote, actieve tak van de theoretische fysica die zoekt naar betere modellen. De bekendste is MOND (Modified Newtonian Dynamics), en er zijn modernere, relativistische varianten van (zoals TeVeS of f(R)-zwaartekracht).

Deze theorieën stellen dat de zwaartekracht op extreem grote schalen (of bij heel lage versnellingen, zoals aan de rand van een sterrenstelsel) anders werkt dan Newton en Einstein voorspelden. MOND is fantastisch in het verklaren van de rotatiecurven van sterrenstelsels — vaak zelfs nauwkeuriger en eleganter dan donkere materie, omdat donkere materie daarvoor heel specifiek "verdeeld" moet zijn (het halo core-cusp probleem).

Het probleem is dat zodra je MOND toepast op de grotere schaal van het hele heelal (zoals de CMB of de Bullet Cluster), de theorie de mist in gaat of alsnog een vorm van "onzichtbare massa" (zoals zware neutrino's) moet introduceren om de boel kloppend te krijgen.

Het voelt intuïtief onbevredigend om een "onzichtbare entiteit" te introduceren om een theorie te redden. Het doet een beetje denken aan de "ether" uit de 19e eeuw.

Maar in de deeltjesfysica is dit historisch gezien vaker de juiste route gebleken:

Het Neutrino: Wolfgang Pauli postuleerde in 1930 een onzichtbaar, massaloos deeltje dat geen wisselwerking aanging met materie, puur en alleen omdat de wet van behoud van energie anders niet klopte bij bèta-verval. Het leek een wanhopige 'truc'. Het duurde 26 jaar voordat het neutrino daadwerkelijk werd gedetecteerd.

Het Higgs-boson: Werd in de jaren '60 voorspeld om de wiskunde van het Standaardmodel te redden. Het duurde bijna 50 jaar (tot 2012) om het te vinden.

Het "geloof" in donkere materie is dus geen blind geloof, maar een pragmatische werkhypothese. Het is op dit moment simpelweg de minst slechte verklaring die we hebben voor alle waarnemingen samen. Mocht er de komende jaren een zwaartekrachttheorie worden geformuleerd die én de rotatiecurven én de Bullet Cluster én de kosmische achtergrondstraling perfect verklaart zonder extra deeltjes, dan switcht de wetenschappelijke gemeenschap waarschijnlijk heel snel. Zo'n allesomvattende zwaartekrachttheorie heeft tot nu toe echter niemand kunnen kraken. Ik acht de kans heel groot dat wij dat niet gaan meemaken in ons leven.

[flappelap]

hoe kan het dan dat we er toch in geloven en niet op zoek gaan naar een betere verklaring in de richting van de zwaartekracht werking?

Dat doet men wel. Alleen zijn er enorme theoretische en empirische beperkingen als het aankomt op sleutelen aan de algemene relativiteitstheorie.

[wnvl1]

Ik heb eens gevraagd aan AI wat de 'echte' natuurkundigen erover denken:

Er is geen volledige consensus, maar onder de meest vooraanstaande theoretische fysici is er wel een duidelijke meerderheid die denkt dat donkere materie in een of andere vorm bestaat. De discussie gaat tegenwoordig vooral over wat donkere materie is, niet meer zozeer of ze bestaat.

Enkele prominente natuurkundigen:

* Edward Witten beschouwt donkere materie als een van de belangrijkste open problemen in de fundamentele natuurkunde. Hij acht het waarschijnlijk dat het om nieuwe deeltjes buiten het Standaardmodel gaat.

* Nima Arkani-Hamed heeft veel modellen ontwikkeld waarin donkere materie uit nieuwe deeltjes bestaat. Hij verwacht dat de oplossing waarschijnlijk in nieuwe fundamentele fysica ligt.

* Sean Carroll verdedigt het donkere-materieparadigma sterk. Volgens hem verklaren onafhankelijke waarnemingen samen het eenvoudigst een extra, niet-zichtbare massa.

* Lisa Randall heeft modellen voorgesteld waarin donkere materie rijkere eigenschappen heeft dan alleen "koude" donkere materie, bijvoorbeeld een kleine zelfinteractie of een verborgen sector.

* Carlos Frenk is een van de grondleggers van het ΛCDM-model. Zijn werk laat zien dat koude donkere materie de grootschalige structuur van het heelal zeer goed reproduceert.

* Vera Rubin leverde met haar metingen van rotatiekrommen een van de sterkste aanwijzingen dat er veel meer massa aanwezig is dan zichtbaar.

Er zijn ook vooraanstaande wetenschappers die kritischer zijn:

* Mordehai Milgrom ontwikkelde Modified Newtonian Dynamics als alternatief voor donkere materie.

* Stacy McGaugh heeft veel werk verricht aan de baryonische Tully-Fisher-relatie en ziet daarin aanwijzingen dat aangepaste zwaartekracht serieus genomen moet worden.

* Sabine Hossenfelder is geen tegenstander van donkere materie, maar pleit ervoor alternatieve verklaringen open te houden zolang er geen donkeremateriedeeltje is gevonden.

De reden dat de meeste theoretische fysici nog steeds voor donkere materie kiezen, is dat één hypothese tegelijk een groot aantal onafhankelijke waarnemingen verklaart:

* rotatiekrommen van sterrenstelsels;
* zwaartekrachtlenswerking;
* de anisotropieën van de kosmische microgolfachtergrond;
* de vorming van grootschalige structuren;
* de dynamica van clusters van sterrenstelsels, zoals Bullet Cluster.

Daar staat tegenover dat het grootste probleem van donkere materie nog steeds hetzelfde is als dertig jaar geleden: **het deeltje is nog niet direct gedetecteerd**. Dat is de belangrijkste reden waarom een minderheid van de onderzoekers alternatieve zwaartekrachtstheorieën blijft ontwikkelen.

Als je de meningen zou samenvatten in grove lijnen, dan zou een redelijke inschatting zijn:

* Ongeveer 80–90% van de kosmologen en theoretische deeltjesfysici verwacht dat donkere materie echt bestaat als een nieuwe vorm van materie.
* Ongeveer 10–20% onderzoekt serieus alternatieven, zoals aangepaste zwaartekracht of meer ingrijpende wijzigingen van de huidige theorie.

Die verhoudingen zijn geen officiële statistiek, maar ze weerspiegelen wel de verdeling die zichtbaar is in het vakgebied, conferenties en de wetenschappelijke literatuur. Zelfs binnen de meerderheid is er overigens veel onzekerheid: men is het er allerminst over eens welk donkeremateriedeeltje of welke nieuwe fysica uiteindelijk de juiste verklaring zal blijken te zijn.