Verlindes zwaartekrachttheorie heeft donkere materie nog lang niet schaakmat

Al enkele jaren kijkt sterrenkundige Margot Brouwer naar de zwaartekracht rondom sterrenstelsels, verzamelingen van honderden miljarden sterren, zoals onze Melkweg. Daar is iets raars mee aan de hand: er lijkt veel meer zwaartekracht te zijn dan de zichtbare materie doet vermoeden. Zo draaien sterrenstelsels veel te snel rond, eigenlijk zouden ze uit elkaar moeten vliegen.

De promovenda van de Universiteit Leiden gebruikt het door de zwaartekracht afgebogen licht uit het verre universum om te bepalen hoeveel materie er in nabijere sterrenstelsels zit. Net als vrijwel iedereen in haar vakgebied gebruikt Brouwer al jaren donkere materie om haar berekeningen kloppend te maken. Alleen door aan te nemen dat er naast gewone materie grote hoeveelheden zogenoemde donkere materie in en om de stelsels zit, zijn de bewegingen van de stelsels goed te verklaren. De donkere materie is onzichtbaar voor de telescopen.

En toen kwam Erik Verlinde. Hij presenteert in een vorige maand gepubliceerd artikel een theorie waarin zwaartekracht wordt beschouwd als een effect van de manier waarop informatie in ons universum is opgeslagen (zie kader ‘Emergente zwaartekracht’). Hij claimt de afwijkende draaisnelheden op deze manier te kunnen verklaren zónder donkere materie. Verlinde kreeg nationaal en internationaal veel aandacht. Sommige astronomen vinden zijn theorie interessant, anderen vinden het niks.

Terug naar Brouwer, want zij wist dat de theorie van Verlinde grote impact kon hebben op haar onderzoek. Ze besefte al snel dat ze met haar onderzoek Verlindes theorie aan de tand kan voelen. Brouwer en collega’s keken naar de massaverdeling van 33.613 sterrenstelsels voor sporen van ‘emergente zwaartekracht’. Tot Brouwers verrassing doet de theorie van Verlinde goede voorspellingen. Kan donkere materie van tafel? Nee dat nou ook weer niet direct. Verlinde kan iets op het spoor zijn, maar deze voorzichtige test is hooguit een gelijkspel te noemen.

Zwaartekrachtslenzen en bobbelige ramen

Voor de test was een zo nauwkeurig mogelijk kaart van de sterkte van de zwaartekracht rondom verschillende sterrenstelsels nodig. Omdat Albert Einstein voorspelde dat massa (die voor zwaartekracht zorgt) de ruimte kromt, ging Brouwer op zoek naar deze kromming. Dat kan door naar sterrenstelsels daarachter te kijken. Het licht van die veel verdere sterrenstelsel wordt beïnvloed door het stelsel op de voorgrond. Soms is dat effect sterk, het beeld van een melkwegstelsel wordt bijvoorbeeld uitgesmeerd over een volledige ring, maar meestal wordt het beeld subtiel gekromd.

Om te weten hoeveel het beeld van die verre melkwegstelsels is gebogen moet je natuurlijk wel weten hoe die stelsels er eigenlijk uitzien. De sterrenkundigen gebruiken daarom een soort gemiddelde oriëntatie, het ene stelsel zal (willekeurig) een beetje afgeplat in de ene richting zijn, het andere stelsel wijst de andere kant op. Het is nu de kunst om bij enorm veel van die verre stelsels om een ‘voorgrondstelsel’ heen te kijken. “Het kan natuurlijk toeval zijn, maar als je duizenden stelsels ziet die allemaal loodrecht op een voorgrondstelsel zijn vervormd – ze liggen er als het ware als een cirkel omheen – dan is er waarschijnlijk iets aan de hand”, zegt Brouwer. Ze vergelijkt het met bomen die je door een oneffen raam ziet. “Als er opeens een rond patroon in de takken van een boom ziet, dan kan het zijn dat die boom zo groeit, maar waarschijnlijk zit er een bobbel in je raam.”

Tot Brouwers verbazing paste de theorie van Verlinde precies, dus zonder correcties te doen met donkere materie. Normaal gesproken passen de astronomen de geschatte hoeveelheid donkere materie in het sterrenstelsel zo aan dat het precies overeenkomt met de waarnemingen. Niet echt een elegante oplossing, geeft Brouwer toe. “Het gave van Verlindes theorie is dat hij goede voorspellingen doet zónder het aanpassen van de massa van het stelsel. Het was voor het eerst in ons onderzoek dat we de voorspelling niet hoefde aan te passen aan de hand van metingen”, zegt Brouwer.

Kosmische gelijkspel

Berekeningen niet meer hoeven aanpassen aan de waarnemingen, dat klinkt als een fantastisch resultaat, die de voorkeur verdient boven correcties met donkere materie. Maar voordat we de theorie van emergente zwaartekracht omhelzen, waarschuwt Brouwer dat er nog veel situaties zijn die op een verklaring wachten. “Verlinde heeft zijn theorie uitgewerkt voor geïsoleerde sterrenstelsels met een gelijkmatige verdeling van donkere energie eromheen”, zegt Brouwer. “In mijn onderzoek zocht ik ook precies naar deze situaties. Op bijvoorbeeld botsingen van groepen sterrenstelsels is de theorie nog helemaal niet voorbereid.”