Het ontstaan van sterrenstelsels is gesimuleerd in een heelal zonder donkere materie, maar met de alternatieve zwaartekrachttheorie MOND. De sterrenstelsels die hierin ontstaan, blijken vergelijkbaar met wat we om ons heen zien.
De onderzoekers begonnen met gaswolken zoals die er een paar honderdduizend jaar na de oerknal uitzagen. Die gaven ze verschillende draaisnelheden, diameters en massa’s. Vervolgens voerden ze de wetten in waaraan deze gaswolken voldoen volgens de alternatieve zwaartekrachtstheorie MOND (MOdified Newtonian Dynamics; ‘aangepaste newtoniaanse dynamica’). Daarna lieten ze de tijd een paar miljard jaar lopen.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Uit de gesimuleerde gaswolken blijken realistische sterrenstelsels te ontstaan. ‘In veel opzichten liggen onze resultaten opmerkelijk dicht bij wat we waarnemen met telescopen’, zegt hoogleraar Pavel Kroupa, verbonden aan de Universiteit van Bonn en de Universiteit van Praag, in een persbericht. ‘Onze simulatie resulteerde voornamelijk in de vorming van roterende schijfstelsels zoals de Melkweg en bijna alle andere grote sterrenstelsels die we kennen.’ Verder komt de snelheidsverdeling van de sterren in de gesimuleerde systemen grotendeels overeen met die in echte sterrenstelsels.
Sterkere zwaartekracht
Om het heelal met de sterrenstelsels die we nu om ons heen zien te verklaren, hebben we meer nodig dan de bekende materie en de zwaartekrachtswetten van Einstein en Newton. Tot die conclusie kwamen sterrenkundigen naar aanleiding van metingen waaruit bleek dat de rotatiesnelheid van sterren in de buitenste delen van sterrenstelsels hoger is dan verwacht. De materie die we waarnemen in de sterrenstelsels is namelijk niet genoeg om die snel bewegende sterren erbij te houden. Ze zouden simpelweg uit de bocht moeten vliegen.
Dit is te verklaren als sterrenstelsels meer materie bevatten dan we nu kunnen zien. Deze donkere materie is bijna ongrijpbaar, maar oefent wel zwaartekracht uit op de bekende materie. Het is een goede verklaring, maar er is nog geen direct bewijs dat donkere materie ook daadwerkelijk bestaat.
Een andere manier om de hoge rotatiesnelheid van buitenste sterren te verklaren, is MOND. Volgens deze theorie gedraagt de zwaartekracht zich anders dan nu wordt gedacht. MOND stelt dat de wetten van Newton slechts gelden tot een bepaald punt. In en rondom sterrenstelsels wordt de zwaartekracht een stuk sterker dan de huidige zwaartekrachtwetten voorschrijven. En dat kan dan verklaren waarom de buitenste sterren niet uit de bocht vliegen.
Realistische sterrenstelsels
Nu blijkt voor het eerst uit simulaties dat MOND de vorming kan verklaren van sterrenstelsels zoals wij ze kennen. Er hoeft dus geen digitale donkere materie toegevoegd te worden aan de computermodellen om realistische resultaten te krijgen.
Om zeker te zijn dat MOND echt bijdraagt aan de manier waarop sterrenstelsels vormen, voerden de onderzoekers de simulaties ook uit met enkel de normale, newtoniaanse zwaartekracht. Wederom zonder donkere materie. Dit leverde sterrenstelsels op waarbij de rotatiesnelheden van sterren niet overeenkwamen met wat we aan de nachtelijke hemel zien.
‘Dat zou dus echt een resultaat kunnen zijn van MOND-zwaartekracht’, zegt Margot Brouwer, postdoctoraal onderzoeker aan de Rijksuniversiteit Groningen en niet betrokken bij deze simulaties. ‘De MOND-formule, en de relaties die eruit voort moeten komen, werden al door Mordehai Milgrom genoemd in zijn artikel uit 1983. Het is best indrukwekkend dat die voorspellingen na bijna veertig jaar nog steeds overeind staan.’
Het interessante moet nog komen
‘Maar tot nu toe zijn er alleen nog maar geïsoleerde sterrenstelsels gesimuleerd’, vervolgt Brouwer. ‘Het is dus afwachten of dit mooie begin zich doorzet naar simulaties van grotere gebieden met meer sterrenstelsels. Bovendien doet MOND geen voorspellingen over de kosmologische omstandigheden waaronder de gaswolken vormden waar de sterrenstelsels mee begonnen.’
‘Wat de onderzoekers hebben aangetoond, is niet triviaal’, voegt kosmoloog Kyle Oman van de Durham-universiteit in het Verenigd Koninkrijk hieraan toe. ‘Maar ze laten vooral zien dat MOND redelijke sterrenstelsels oplevert in situaties waar de theorie voor ontworpen is. Dat is een belangrijke controle, maar de echte interessant simulaties moeten ze nog doen. Waarschijnlijk werken ze daaraan. Maar voor nu ben ik heel erg in ‘afwachtende modus’, in plaats van de ‘wauw-modus’.’