Huidige theorieën beschrijven ons heelal mogelijk niet erg nauwkeurig. Beeldkrediet: Brussels Museum of Fine Arts en Space Telescope Institute. Klik om te vergroten
Een Chinese astronoom van de Universiteit van St. Andrews heeft Einsteins baanbrekende theorie van zwaartekracht verfijnd en een ‘eenvoudige’ theorie ontwikkeld die een duister mysterie zou kunnen oplossen dat astrofysici drie kwart eeuw in de war heeft gebracht.
Een nieuwe wet voor zwaartekracht, ontwikkeld door dr. Hong Sheng Zhao en zijn Belgische medewerker dr. Benoit Famaey van de Vrije Universiteit Brussel (ULB), heeft tot doel te bewijzen of de theorie van Einstein inderdaad klopte en of het astronomische mysterie van de donkere materie werkelijk bestaat. Hun onderzoek werd op 10 februari gepubliceerd in het Amerikaanse Astrophysical Journal Letters. Hun formule suggereert dat de zwaartekracht met de afstand minder sterk daalt dan in Einstein, en subtiel verandert van zonnestelsels naar sterrenstelsels en naar het universum.
Theorieën over de fysica van de zwaartekracht werden voor het eerst ontwikkeld door Isaac Newton in 1687 en verfijnd door Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie in 1905 om lichtbuigen mogelijk te maken. Hoewel het de vroegst bekende kracht is, is de zwaartekracht nog steeds een groot mysterie met theorieën die nog steeds niet zijn bevestigd door astronomische waarnemingen in de ruimte.
Het ‘probleem’ met de gouden wetten van Newton en Einstein is dat ze, hoewel ze heel goed werken op aarde, de beweging van sterren in sterrenstelsels en het buigen van licht niet nauwkeurig verklaren. In sterrenstelsels draaien sterren snel rond een centraal punt, dat in een baan om de aarde wordt gehouden door de aantrekkingskracht van de materie in de melkweg. Astronomen ontdekten echter dat ze te snel bewogen om door hun onderlinge zwaartekracht te worden vastgehouden - dus niet genoeg zwaartekracht om de sterrenstelsels bij elkaar te houden, in plaats daarvan zouden sterren in alle richtingen moeten worden weggegooid!
De oplossing hiervoor, voorgesteld door Fritz Zwicky in 1933, was dat er ongezien materiaal in de sterrenstelsels was, dat voldoende zwaartekracht vormde om de sterrenstelsels bij elkaar te houden. Omdat dit materiaal geen licht afgeeft, noemen astronomen het ‘Dark Matter’. Er wordt aangenomen dat het tot 90% van de materie in het universum uitmaakt. Niet alle wetenschappers accepteren echter de theorie van de donkere materie. Moti Milgrom stelde in 1983 een concurrerende oplossing voor en werd in 2004 ondersteund door Jacob Bekenstein. In plaats van het bestaan van ongezien materiaal, stelde Milgrom voor dat astronomen het begrip van zwaartekracht niet correct zouden begrijpen. Hij stelde voor dat een versnelling van de zwaartekracht van gewone materie de oorzaak is van deze versnelling.
Aan de theorie van Milgrom is sindsdien gewerkt door een aantal astronomen en Dr. Zhao en Dr. Famaey hebben een nieuwe formulering van zijn werk voorgesteld die veel van de problemen overwint waarmee eerdere versies werden geconfronteerd.
Ze hebben een formule ontwikkeld waarmee de zwaartekracht continu kan veranderen over verschillende afstandsschalen en, belangrijker nog, past bij de gegevens voor waarnemingen van sterrenstelsels. Het zou even uitdagend zijn om melkweggegevens in het rivaliserende Dark Matter-paradigma te passen als het balanceren van een bal op een naald, wat de twee astronomen motiveerde om naar een alternatief zwaartekrachtidee te kijken.
Volgens de legende begon Newton na te denken over de zwaartekracht toen een appel op zijn hoofd viel, maar volgens Dr. Zhao: “Het is niet duidelijk hoe een appel in een sterrenstelsel zou vallen. De theorie van Mr Newton zou een grote marge hebben - zijn appel zou uit de Melkweg vliegen. Pogingen om de appel in een mooie baan rond de melkweg te herstellen, hebben in de loop der jaren tot twee denkrichtingen geleid: donkere materie versus niet-Newtonse zwaartekracht. Dark Matter-deeltjes komen van nature uit de natuurkunde, met prachtige symmetrieën en verklaren de kosmologie prachtig; ze zijn overal. Het echte mysterie is hoe je ze weghoudt van sommige hoeken van het universum. Ook Dark Matter gaat hand in hand met Dark Energy. Het zou mooier zijn als er één simpel antwoord zou zijn op al deze mysteries ”.
Dr. Zhao, PPARC Advanced Fellow aan de University of St Andrews, School of Physics and Astronomy, en lid van de Scottish Universities Physics Alliance (SUPA), vervolgde: “Er is altijd een goede kans geweest dat astronomen de wet van de zwaartekracht zouden herschrijven. We hebben een nieuwe formule voor zwaartekracht ontwikkeld die we ‘de eenvoudige formule’ noemen, en die eigenlijk een verfijning is van die van Milgrom en Bekenstein. Het komt tot nu toe overeen met de gegevens van sterrenstelsels en als de voorspellingen verder worden geverifieerd voor het zonnestelsel en de kosmologie, zou het het mysterie van de donkere materie kunnen oplossen. We kunnen misschien veelgestelde vragen beantwoorden, zoals of Einsteins zwaartekrachttheorie juist is en of de zogenaamde Dark Matter echt bestaat '.
“Een niet-Newtoniaanse zwaartekrachttheorie is nu volledig gespecificeerd op alle schalen door een soepele continue functie. Het is klaar voor collega-wetenschappers om te vervalsen. Het is tijd om open te staan voor nieuwe velden die in onze formule worden voorspeld, terwijl we onze zoektocht naar Dark Matter-deeltjes voortzetten. ”
De nieuwe formule zal in april worden gepresenteerd aan een internationale workshop in de Royal Observatory in Edinburgh, die de gelegenheid krijgt om de herwerkte theorie te testen en te bespreken. Dr. Zhao en Dr. Famaey zullen hun nieuwe formule demonstreren aan een publiek van Dark Matter en zwaartekrachtexperts uit tien verschillende landen.
Dr. Famaey merkte op: "Het is mogelijk dat noch de theorie van de gemodificeerde zwaartekracht, noch de theorie van de donkere materie, zoals ze vandaag zijn geformuleerd, alle problemen van galactische dynamica of kosmologie zal oplossen. De waarheid kan in principe tussenin liggen, maar het is zeer aannemelijk dat we iets fundamenteels missen aan de zwaartekracht, en dat een radicaal nieuwe theoretische benadering nodig zal zijn om al deze problemen op te lossen. Niettemin is onze formule zo aantrekkelijk eenvoudig dat het verleidelijk is om deze te zien als onderdeel van een nog onbekende fundamentele theorie. Alle melkweggegevens lijken moeiteloos te worden uitgelegd ”.
Oorspronkelijke bron: PPARC-persbericht
