If Not Dark Matter, Then What?

{h1}

Donkere materie is in twijfel getrokken door een nieuw sterrenonderzoek. Maar natuurkundigen denken dat het onderzoek, en niet de donkere materie zelf, gebrekkig is, omdat de alternatieven voor de theorie van de donkere materie zwak zijn.

Astronomen brachten de bewegingen van honderden sterren in de Melkweg in kaart om de hoeveelheid donkere materie af te leiden die ze uit de buurt van onze zon moeten trekken. Hun verrassende conclusie? Er is hier geen donkere materie.

Zoals de onderzoekers in een binnenkort verschenen paper in de Astrophysical Journal schrijven, impliceert de stellaire beweging dat de sterren, allemaal binnen 13.000 lichtjaren van de aarde, aangetrokken worden door de zwaartekracht. zichtbaar materiaal in ons zonnestelsel - de zon, planeten en het omringende gas en stof - en niet door ongeziene zaken.

"Onze berekeningen laten zien dat [donkere materie] in onze metingen heel duidelijk had moeten verschijnen, maar het was er gewoon niet!" zei hoofdauteur Christian Moni-Bidin, een astronoom aan de universiteit van Concepción in Chili.

Als de analyse van de gegevens van Chile's European Southern Observatory (ESO) correct is - een grote "als", zeggen verschillende natuurkundigen - vernietigt het de decennia-oude theorie dat donkere materie de ruimte doordringt in onze regio van de Melkweg. Donkere materie is een onzichtbaar materiaal waarvan gedacht wordt dat het 80 procent van alle materie in het universum uitmaakt. Hoewel het geen interactie heeft met licht en dus niet kan worden gezien, wordt de aanwezigheid ervan aangeroepen om uit te leggen waarom de buitenwijken van sterrenstelsels, inclusief de Melkweg, veel sneller roteren dan zou worden verwacht op basis van de zwaartekracht van zichtbare materie alleen. Algemeen geaccepteerd als feit, speelt donkere materie een essentiële rol in modellen voor de vorming en evolutie van sterrenstelsels, en verschillende experimenten zijn aan de gang om donkere materiedeeltjes op aarde te detecteren.

Maar als donkere materie niet aanwezig is in het zonnestelsel, is het misschien niet overal, omdat de verspreiding ervan door de melkweg buitengewoon eigen moet zijn om dit gebied in de ruimte te vermijden. "Moderne theorieën hebben ernstige problemen om de vorming van een [donkere materie] halo te verklaren die zo vreemd gevormd is," vertelde Moni-Bidin aan Life's Little Mysteries.

Scott Tremaine, hoogleraar natuurkunde aan het Institute for Advanced Study van de universiteit van Princeton, zei: "Als de conclusies van de auteurs kloppen, is dit inderdaad een zware slag voor donkere materie."

Toekomstige astronomische enquêtes, zoals de Gaia-missie van het Europees Ruimtevaartagentschap, zullen de situatie verduidelijken door de bewegingen van miljoenen sterren te observeren, in plaats van slechts honderden. Maar in de tussentijd nodigt de nieuwe ESO-bevinding, door donkere materie ter discussie te stellen, uit tot een discussie over een onderwerp dat de afgelopen jaren niet veel zendtijd heeft gekregen: welke andere theorieën kunnen de rotatie van sterrenstelsels verklaren, evenals andere waarnemingen die verklaard worden door donkere materie? Als het geen donkere materie is - of tenminste niet de donkere materie die we verwachtten - wat dan? Deskundigen hebben een paar andere opties, hoewel ze lang niet zo bevredigend zijn.

Zwaartekracht 2.0

Als de zwaartekracht veel slordiger is dan Newton en Einstein dachten, dan zou het de snelle rotatie van spiraalstelsels kunnen verklaren zonder donkere materie te vereisen. Om de zwaartekracht sterren aan de rand van een sterrenstelsel te laten versnellen, moet deze afwijken van de 'inverse-kwadratische wet' - de regel dat de zwaartekracht afneemt met het kwadraat van de afstand van iets - op galactische afstanden. Met andere woorden, de kracht zou plotseling moeten toespringen aan de rand van sterrenstelsels. Maar om op die manier te handelen, zouden zwaartekrachtvelden en de bijbehorende vergelijkingen enorm ingewikkeld moeten zijn. [Top 3 vragen mensen vragen een astrofysicus (en antwoorden)]

De theorie wordt "modified Newtonian dynamics" of MOND genoemd. "De mooiste van de alternatieve modellen voor spiraalstelsels is de alternatieve zwaartekrachttheorie MOND, omdat het in staat lijkt te zijn om de melkwegrotatiecurven [wiskundig] te reproduceren met enkele aannames die erin zijn ingebouwd," zei Douglas Clowe, een astrofysicus aan de Universiteit van Ohio, die bestudeert donkere materie.

Maar MOND vult niet zoveel gaten als donkere materie: het werkt alleen perfect voor spiraalstelsels, zei Clowe. Voor elliptische sterrenstelsels, sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en structuren op grotere schaal past de theorie niet helemaal bij waarnemingen en daarom vereist het dat extra materie - d.w.z. donkere materie - opnieuw wordt aangeroepen. "Dus in plaats van alleen een onontdekt deeltje te gebruiken om onze observaties van structuren in het universum te verklaren, vereist MOND zowel een onontdekt deeltje als een aanpassing aan de zwaartekrachtwet," zei hij.

Een andere slag tegen MOND is dat het, net als de theorie van de donkere materie, niet overeenkomt met de nieuwe ESO-bevindingen. Volgens Moni-Bidin, omdat de teamleden de Newtoniaanse zwaartekracht in hun berekeningen gebruikten, voorspelde MOND dat er een discrepantie zou ontstaan ​​in de hoeveelheid massa die ze in het zonnestelsel meten. "MOND verwacht dat een 'fantoomschijf' van ongeziene materie wordt gedetecteerd in een werk als het onze, net zoals het gebruik van de wet van Newton om het stelsel te modelleren, leidt tot het voorspellen van donkere materie.

Fields of phions

John Moffat, een fysicus van het Perimeter Institute for Advanced Study in Canada, heeft een sub-theorie van MOND, MOG genaamd, of 'modified gravity' voorgesteld. Hij beweert dat MOG de eigenaardige beweging van sterrenstelsels verklaart, evenals clusters van sterrenstelsels en clusterbotsingen, zonder donkere materie op welke schaal dan ook aan te roepen.

"Ik neem de zwaartekracht van Einstein en ik voeg toe aan deze drie velden," legde Moffat uit. Eén van de velden heeft een massa en dit introduceert variaties in de krachtwet op verschillende afstandsschalen.Om echter een massa te hebben, moet het veld een deeltje hebben dat ermee verbonden is, wat Moffat de phion noemt. En, net als donkere materiedeeltjes, is het bestaan ​​van de phion niet geverifieerd. [Slimme antwoorden voor gekke hypothetische vragen]

Warm en donker

Als de ESO-analyse correct is, kan dit alleen maar betekenen dat donkere materie zich heel anders gedraagt ​​- of heel anders in de ruimte wordt verspreid - dan is gedacht. "Het zou betekenen dat donkere materie op grotere schaal moet worden gedistribueerd binnen de binnenste delen van een melkwegstelsel," zei Clowe, "wat [wiskundig bevestigd] wordt als je de donkere materiedeeltjes minder massaal maakt dan de modellen die op dit moment favoriet zijn. "

Volgens Douglas Spolyar, een theoreticus van de donkere materie aan de universiteit van Chicago, wordt de minder massieve variant warme donkere materie genoemd. "Mensen gebruiken het om twee dingen uit te leggen - een dat je een kern zou hebben in je donkere materieprofiel, dus donkere materie blijft constant binnen een straal in de melkweg. Ten tweede, als je kijkt naar de donkere materie subhalo's in de Melkweg, de hoeveelheden [van warme donkere materie] zijn veel lager, "zei hij. Dat zou kunnen verklaren waarom de ESO-astronomen geen donkere materie in onze kosmische omgeving hebben gevonden. [Wat als ons zonnestelsel zich dichter bij de rand van de melkweg had gevormd?]

Echter, de onderzoekers zeiden dat koude donkere materiedeeltjes hebben sterk de voorkeur van kosmologen, omdat minder massieve donkere deeltjes problemen zouden hebben bij het snel vormen van sterrenstelsels om te voldoen aan de waarnemingen van astronomen van het vroege universum.

Nieuwe theorie

Als toekomstige onderzoeken naar de bewegingen van sterren de ESO-bevindingen versterken, met de sterke suggestie dat er echt geen donkere materie in onze regio van de melkweg is, dan zullen kosmologen mogelijk alle huidige theorieën moeten schrappen en opnieuw beginnen. "Tot op heden is een uitgebreid relativistisch theorie-alternatief voor het paradigma van de donkere materie, in staat om de waarnemingen op alle schalen te verklaren, van galactische rotatie tot de clusters van sterrenstelsels, niet bekend," zei Moni-Bidin.

Princeton's Tremaine was het ermee eens: "Ik denk niet dat een van de alternatieven voor donkere materie zeer waarschijnlijk is."

Volg Natalie Wolchover op Twitter @nattyover. Volg Life's Little Mysteries op Twitter @llmysteries en volg ons op Facebook.


Video Supplement: Neil deGrasse Tyson: Dark Matter, Dark Gravity, Ghost Particles, & the Essence of All Objects.




WordsSideKick.com
Alle Rechten Voorbehouden!
Reproductie Van Materialen Toegestaan Alleen Prostanovkoy Actieve Link Naar De Site WordsSideKick.com

© 2005–2019 WordsSideKick.com