Testing MOND-like modifications to gravity using growth-rate measurements and one-loop corrections to the matter power spectrum

Al decennia lang rust het meest succesvolle verhaal dat we over het universum te vertellen hebben op een verborgen ingrediënt. Astronomen observeren dat sterren in de buitenste regio's van sterrenstelsels veel sneller draaien dan ze zouden moeten op basis van de zichtbare materie die aan hen trekt. Om de wiskunde kloppend te maken, postuleert het standaardmodel van de kosmologie, bekend als Lambda Cold Dark Matter, dat onzichtbare donkere materie het kosmos vult, wat de extra zwaartekracht levert die nodig is om deze sterrenstelsels bij elkaar te houden. Dit model heeft talloze tests doorstaan, maar staat onder toenemende druk. Recente metingen van hoe snel het universum uitdijt en hoe nauw materie samenklontert, zijn begonnen te verschillen van de voorspellingen van het model, wat een spanning creëert die suggereert dat ons begrip van zwaartekracht of de inhoud van het universum incompleet zou kunnen zijn.

In het licht van deze discrepanties hebben sommige wetenschappers een alternatief idee genaamd Modified Newtonian Dynamics, of MOND, herontdekt. In plaats van onzichtbare materie toe te voegen, suggereert deze theorie dat de wetten van de zwaartekracht zelf veranderen wanneer de aantrekkingskracht zeer zwak wordt, zoals in de enorme, lege ruimtes tussen de sterren. Hoewel deze benadering de beweging van individuele sterrenstelsels opmerkelijk goed verklaart, heeft het historisch gezien moeite gehad om het gedrag van het gehele universum te verklaren, met name hoe grote structuren zoals clusters van sterrenstelsels zich over miljarden jaren hebben gevormd. De grote vraag is geweest of een aangepaste versie van de zwaartekracht de rigoureuze tests van de moderne kosmologie zou kunnen overleven, of dat het standaardmodel van donkere materie de enige levensvatbare optie blijft.

Een team van onderzoekers uit Brazilië heeft een frisse blik geworpen op dit probleem door een nieuw wiskundig kader te bouen om MOND-achtige theorieën te testen tegen de meest recente gegevens uit het kosmos. In plaats van te proberen het standaardmodel volledig te vervangen, stelden zij een specifere vraag: zou een lichte modificatie van hoe de zwaartekracht werkt, bovenop het standaardmodel, beter kunnen verklaren hoe materie vandaag de dag samenklontert? Ze concentreerden zich op een specifiek type modificatie waarbij de sterkte van de zwaartekracht afhangt van de versnelling van de betrokken objecten. In dit scenario gedraagt de zwaartekracht zich normaal wanneer dingen snel versnellen, maar schakelt het over naar een andere modus wanneer de versnelling onder een zeer specifieke, minuscule drempelwaarde zakt.

Om dit te onderzoeken, ontwikkelden de onderzoekers een manier om te volgen hoe minuscule rimpelingen in de dichtheid van het vroege universum uitgroeiden tot de massieve structuren die we vandaag de dag zien. Ze creëerden een reeks vergelijkingen die beschrijven hoe deze rimpelingen evolueren, rekening houdend met het feit dat in hun aangepaste theorie de zwaartekracht niet op dezelfde uniforme manier trekt als in de standaardfysica. Ze breidden deze analyse uit van eenvoudige, gladde groei naar de rommelige, complexe sfeer waar structuren op elkaar beginnen te botsen en clusters vormen. Dit vereiste dat ze de subtiele interacties tussen verschillende golven van materie berekenden, een proces dat onthult hoe de aangepaste zwaartekracht een unieke vingerafdruk zou achterlaten op de verdeling van sterrenstelsels.

Het team heeft hun theorie vervolgens getest met behulp van de meest recente en meest nauwkeurige observaties die beschikbaar zijn. Ze vergeleken hun voorspellingen met metingen van hoe snel clusters van sterrenstelsels groeien, gegevens over de verdeling van sterrenstelsels in kaart gebracht door het Dark Energy Spectroscopic Instrument, en observaties van verre exploderende sterren, bekend als Type Ia-supernovae. Deze datasets fungeren als een kosmische liniaal en klok, waardoor wetenschappers de expansiegeschiedenis van het universum en de snelheid waarmee materie samenkomt, kunnen meten. Door hun aangepaste zwaartekrachtmodel tegen deze overvloed aan gegevens te draaien, konden ze zien of het universum er anders uitzag dan wat het standaardmodel voorspelt.

De resultaten waren duidelijk: de gegevens toonden geen statistisch significante bewijzen voor afwijkingen van de standaard ΛCDM-kosmologie. Echter, het aangepaste model was niet volledig mislukt; het vertoonde in alle geteste gevallen een milde, zij het niet statistisch significante, voorkeur boven het standaardmodel, wat een marginale verbetering in de fit bood. De onderzoekers vonden dat de parameters die de sterkte van de aangepte zwaartekracht beheersen consistent waren met het standaardmodel, wat betekent dat het universum zich precies gedraagt alsof er geen modificatie van de zwaartekracht plaatsvindt binnen de huidige observationele onzekerheden. Hoewel het aangepaste model een lichte statistische voorsprong bood in de fit, blijft het standaardmodel volledig consistent met de gegevens, wat suggereert dat de mysterieuze donkere materie-component de meest robuuste verklaring blijft voor de kosmische structuur die we observeren, hoewel de aangepaste theorie een levensvatbaar alternatief blijft.

De studie onthulde echter iets interessants over waar deze theorieën nog steeds een spoor kunnen achterlaten. De onderzoekers merkten op dat hoewel de verschillen tussen de modellen onzichtbaar zijn op de grootste, gladste schalen van het universum, ze zichtbaar kunnen worden op kleinere, drukkere schalen waar sterrenstelsels dicht bij elkaar klonteren. In deze niet-lineaire regio's voorspelt de aangepaste zwaartekrachttheorie een iets ander patroon in hoe materie is verdeeld, een subtiele handtekening die huidige telescopen mogelijk nog niet scherp genoeg zijn om te detecteren. Dit suggereert dat de volgende generatie precisie-surveys, die het universum met ongekende details in kaart zullen brengen, deze niet-lineaire schalen eindelijk kunnen verkennen en ofwel deze aangepaste theorieën volledig kunnen uitsluiten, ofwel het zwakke bewijs kunnen vinden dat tot nu toe aan ons is ontsnapt.

Uiteindelijk biedt dit werk een systematische manier om ideeën over zwaartekracht te testen die verder gaan dan Einsteins algemene relativiteitstheorie. Het slaat een brug tussen de theoretische aanpassingen die worden voorgesteld om de rotatiecurves van sterrenstelsels te corrigeren en de enorme, observeerbare structuren van het kosmos. Door aan te tonen dat de huidige gegevens geen statistisch significant voordeel vinden voor het aangepaste model ten opzichte van het standaardmodel, maar wel een marginale verbetering van de fit toestaan, bevestigt de studie de robuustheid van ons huidige kosmische beeld, terwijl het de levensvatbaarheid van alternatieven erkent. Toch, door exact aan te geven waar en hoe deze alternatieve theorieën zich nog steeds kunnen verschuilen, wijst het de weg naar voren voor toekomstige observaties. Het universum lijkt zijn geheimen nog steeds te bewaren, maar we hebben nu een duidelijkere kaart van waar we naar moeten zoeken.