Neutronenstermeting vermoordt alternatieve kosmologische theorieën

De simultane meting van zwaartekrachtsgolven en licht van botsende neutronensterren heeft enkele alternatieve theorieën over donkere materie en donkere energie om zeep geholpen. Deze theorieën vereisten dat zwaartekrachtsgolven langzamer of zelfs sneller reizen dan het licht. De waarneming bewees dat dit niet het geval is.

Op 17 augustus maten LIGO-en Virgo-detectoren zwaartekrachtsgolven afkomstig van twee kosmische objecten die naar elkaar toe spiraalden. Ongeveer 1,7 seconden later detecteerde NASA’s Fermi-satelliet een gammaflits. Beide signalen waren afkomstig van twee neutronensterren die op 130 miljoen lichtjaar afstand van de aarde met elkaar in botsing kwamen.

Ook andere telescopen namen de botsing waar. Ze vingen elektromagnetische golven op die met de ruimtetijdrimpelingen meereisden. Zo’n waarneming was nog nooit verricht.

neutronensterren-botsing-neutronenster
De neutronensterbotsing had fatale gevolgen voor enkele alternatieve theorieën. Beeld: NASA.

‘Dit geeft ons de mogelijkheid om de snelheid van zwaartekrachtsgolven af te zetten tegen de lichtsnelheid’, zegt fysicus Miguel Zumalacárregui van de University of California. De signalen van de botsing, die inmiddels bekendstaat als GW170817, wijzen uit dat zwaartekrachtsgolven zich zoals verwacht met de lichtsnelheid voortplanten. De kans dat de snelheden niet overeenkomen, is ongeveer één op een biljard.

MOND

Dit resultaat ondermijnt enkele aangepaste versies van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Met dergelijke alternatieve theorieën willen fysici problematische kosmische fenomenen verklaren. Dat zijn met name de mysterieuze donkere energie die vermoedelijk de versnelde uitdijing van het heelal veroorzaakt en de onzichtbare donkere materie die we alleen opmerken doordat die gewone materie via de zwaartekracht aantrekt.

LEESTIP In het Pocket Science-deel Ruimtetijd vertelt New Scientist-redacteur Yannick Fritschy op toegankelijke wijze hoe Einstein ruimte en tijd bijeenbracht. €10. Bestel het boek in onze webshop.

Volgens het standaardmodel van de kosmologie bestaat zo’n 27 procent van het heelal uit donkere materie en 68 procent uit donkere energie. Dit werpt echter vragen op. Waarom is bijvoorbeeld de waargenomen donkere energie bijna 120 orden van grootte kleiner dan theorieën uit de deeltjesfysica voorspellen? Als donkere energie de voorspelde waarde had, zou de versnelde uitdijing van het heelal vele malen groter zijn dan we nu meten. Vermoedelijk was alle materie dan allang uiteengereten.

Als je chocola wilt maken van onze waarnemingen van de kosmos zonder je toevlucht te nemen tot donkere materie of donkere energie, moet je de huidige theorieën aanpassen. Sommige fysici proberen bijvoorbeeld af te rekenen met donkere materie door de standaardbeschrijving van zwaartekracht te veranderen. Dit staat bekend als modified Newtonian dynamics (MOND). Een theorie genaamd tensor-vector-scalar-zwaartekracht (TeVeS), ontwikkeld door Jaob Bekenstein, is tot dusver het succesvolst in het bereiken van MOND-achtig gedrag. Deze theorie verklaart de beweging van sterren en sterrenstelsels zonder dat daar donkere materie bij nodig is.

Galileïsche zwaartekracht

Alternatieve theorieën die de versnelde uitdijing van het heelal pogen te verklaren, veranderen doorgaans de algemene relativiteitstheorie door er nieuwe velden aan toe te voegen. In sommige van die theorieën zorgen de extra velden ervoor dat de versnelling ondanks de hoge waarde van de donkere energie binnen de perken blijft. In andere gevallen laten de velden de uitdijing van het heelal versnellen zonder dat daar donkere energie bij nodig is. Een voorbeeld van dat laatste zijn Galileïsche zwaartekrachtsmodellen. In die modellen heeft een nieuw Galileïsch veld ergens in de afgelopen paar miljard jaar de versnelde uitdijing in gang gezet.

Vier teams van fysici (1, 2, 3 en 4) hebben nu veel van dit soort alternatieve theorieën uitgesloten, waaronder TeVeS en Galileïsche zwaartekracht. Deze theorieën voorspellen namelijk allemaal dat zwaartekrachtsgolven niet met de lichtsnelheid bewegen. ‘Degenen van ons die werken aan donkere energie en aangepaste zwaartekracht, moeten net als wij maar eens goed nadenken over waar ze mee bezig zijn’, zegt Zumalacárregui.

Astrofysicus Pedro Ferreira van de University of Oxford is het daarmee eens. ‘We kunnen een groot aantal alternatieve theorieën uitsluiten’, zegt hij. ‘Zoals altijd overleven alleen de eenvoudigste varianten.’

Pathologische oplossingen

De algemene relativiteitstheorie is uiteraard nog altijd in de race. Deze theorie omvat donkere energie als ‘kosmologische constante’: een onveranderlijke factor die de energiedichtheid van het vacuüm van de ruimtetijd weergeeft. Andere eenvoudige modellen, zoals ‘quintessence’, introduceren een nieuw veld dat ervoor zorgt dat de energiedichtheid van het vacuüm niet constant is. Ook deze modellen hebben de schifting overleefd.

LEESTIP In dit boek vertelt de bekende sterrenkundejournalist Govert Schilling alles over zwaartekrachtsgolven. Van €24,95 voor €19,95. Bestel nu in onze webshop

‘Het is opmerkelijk hoe succesvol Einsteins algemene relativiteitstheorie is, en hoe moeilijk het is om met levensvatbare alternatieven te komen’, zegt astronoom Avi Loeb van de Harvard University. Het verklaren van donkere materie en donkere energie vereist uiteindelijk wellicht dat de algemene relativiteitstheorie wordt verzoend met de quantummechanica, zodat één theorie van quantumzwaartekracht ontstaat.

Einsteins theorie bezwijkt als die wordt toegepast op de oerknal en bijbehorende singulariteiten. Loeb: ‘Om deze pathologische oplossingen te genezen, moet ze vervangen worden door een theorie die quantummechanica incorporeert.’

Kosmologen hadden mazzel met GW170817, omdat die meting ze hielp onhoudbare theorieën de nek om te draaien. Mogelijk hebben ze nog zo’n toevalstreffer nodig om het pad te effenen naar een theorie van quantumzwaartekracht.

Mis niet langer het laatste wetenschapsnieuws en meld je nu gratis aan voor de nieuwsbrief van New Scientist.

Lees verder:

4 Reacties

  • Fred

    | Beantwoorden

    In welke mate doorstaat de zwaartekrachttheorie Erik Verlinde deze nieuwe bevinding? Het boekje “Elastisch Universum” is te oppervlakkig om die vraag te kunnen beantwoorden.

  • Theo Prinse

    | Beantwoorden

    De gravitatiegolfbeweging geschiedt door een zee van gravitonen die 1 miljard x kleiner zijn dan electronen. De gravitonen blijven gewoon stilstaan zoals water terwijl de kracht van de botsende sterren etc die niet krachtiger is dan de lichtsnelheid met die snelheid wordt door gegeven door de stilstaande gravitonen. De gravitonen zelf draaien met 1 miljard x de lichtsnelheid om hun eigen as. Het is dus mogelijk om met superluminale snelheid naar andere sterren te reizen.

    • Steven

      | Beantwoorden

      “…de kracht van de botsende sterren etc die niet krachtiger is dan de lichtsnelheid”
      Een kracht die dan zeker ook niet groter is dan 3,5 liter of anderhalve week, neem ik aan?

      Hoe draai je met “1 miljard x de lichtsnelheid” om je eigen as?

      “Het is dus mogelijk om met superluminale snelheid naar andere sterren te reizen.”
      Dàt was nog eens een korte afleiding van een revolutionaire stelling! Jammer natuurlijk dat het volkomen kletskoek is.

  • Menno

    | Beantwoorden

    Zwaartekrachtgolf 1,7 seconde eerder ontvangen dan de gammaflits. Benieuwd naar oorzaak van dat aanmerkelijke tijdsverschil.
    En, met Fred, naar consequenties voor theorie van Verlinde.
    Theo Prinse, volgens mij zijn gravitonen nog steeds niet aangetoond.
    Theorie dus.
    Hoe kom je aan de wetenschap dat ze 1 milj. x kleiner zijn dan electronen?

Plaats een reactie