Nieuwe berekening sterrenstelsels is steun voor de zwaartekrachttheorie van Verlinde

Verdeling van de zwaartekracht rond verre sterrenstelsels kan ook verklaard worden met zwaartekrachtstheorie van Erik Verlinde.

Door gravitatielenseffecten vervormd beeld van verre sterrenstelsels. Foto NASA / ESA

De verdeling van de zwaartekracht rond verre sterrenstelsels voldoet aan de voorspellingen van de recent gepresenteerde zwaartekrachtstheorie van theoretisch natuurkundige Erik Verlinde. Tot die conclusie komt een internationaal team van astronomen, onder leiding van Margot Brouwer van de Sterrewacht Leiden.

De astronomen hebben gekeken naar de manier waarop een selectie van meer dan 33.000 sterrenstelsels het licht van verre achtergrondobjecten enigszins afbuigt. Volgens het meest gangbare model wordt deze afbuiging grotendeels veroorzaakt door de zogeheten donkere materie, een raadselachtige substantie die geen licht of andere soorten straling uitzendt, maar wel een aantrekkende kracht uitoefent op zijn omgeving. Om de waargenomen lichtafbuiging te kunnen verklaren, zouden sterrenstelsels voor maar liefst 95 procent uit donkere materie moeten bestaan.

Ad-hoc-oplossing

Critici beschouwen de donkere materie als een ad-hoc-oplossing – een manier om de bestaande inzichten omtrent de zwaartekracht te kunnen redden. Helemaal onbegrijpelijk is dat niet, want tot nu toe is het niet gelukt om de hypothetische deeltjes waaruit deze materie zou kunnen bestaan op te sporen. Voor sommige wetenschappers, onder wie Verlinde, is dit dermate onbevredigend dat zij hardop zijn gaan twijfelen aan de juistheid van de zwaartekrachtstheorie van Albert Einstein. Verlinde denkt dat er een betere zwaartekrachtstheorie te bedenken is: één die begint op de schalen van het allerkleinste en waarin de verdeling van ‘quantuminformatie’ cruciaal is voor de aantrekkingskracht tussen materie. Volgens Verlinde zou dat de ‘hulphypothese’ van donkere materie overbodig maken en ook zou de buiging van de ruimtetijd (de zwaartekracht volgens Einstein) een secondair effect zijn van dit primaire quantumproces.

Even goed door donkere materie

Brouwer en haar collega’s hebben nu onderzocht in hoeverre Verlindes voorspelling van de zwaartekracht van sterrenstelsels, die uitsluitend is gebaseerd op hun waarneembare massa, voldoet aan de waarnemingen. Daartoe is deze voorspelling vergeleken met de verdeling van de zwaartekracht zoals die volgt uit de manier waarop de stelsels licht afbuigen. Hun conclusie is dat Verlindes voorspelling in goede overeenstemming is met de waargenomen zwaartekrachtsverdeling. Maar daar voegen zij onmiddellijk aan toe dat de extra zwaartekracht evengoed voor rekening kan komen van donkere materie.

Toch streepje voor

Een wetenschappelijk gelijkspel dus, maar volgens Brouwer heeft Verlindes theorie toch een streepje vóór.

Dat laatste heeft te maken met de onzichtbaarheid van de donkere materie. „Omdat we van tevoren niet kunnen bepalen hoeveel donkere materie er aanwezig is, wordt de massa van de wolk donkere materie rond elk sterrenstelsel zó aangepast dat het model overeenkomt met de waarneming”, legt Brouwer uit. In jargon heet het dan dat de totale massa van de donkere materie in een sterrenstelsel een ‘vrije parameter’ is – simpel gezegd: een knop waaraan je kunt draaien totdat de uitkomst van het model overeenstemt met wat je ziet.

In dit specifieke geval heeft de theorie van Verlinde geen knop nodig: de voorspelling stemt direct al overeen met de waarnemingen. „En als er twee modellen zijn die hetzelfde voorspellen, waarvan het ene minder vrije parameters heeft dan het andere, dan zal (volgens het principe van Ockhams scheermes) het model zonder vrije parameters winnen”, aldus Brouwer. „Maar het zal voor Verlindes theorie zeer moeilijk zijn om álle waarnemingen te beschrijven die nu met donkere materie worden verklaard. Pas als dát het geval is, zal de strijd beslecht zijn. Het zal nog een hele tijd duren voordat de theorie zo ver is ontwikkeld – als dat überhaupt mogelijk is.”

De onderzoeksresultaten van Brouwer en haar collega’s zijn geaccepteerd voor publicatie in het Britse wetenschappelijke tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society en nu al te lezen op de preprintserver Arxiv.