Mixed modified-gravity--modified-inertia MOND theories

In de uitgestrekte, donkere stilte tussen de sterren hangt al decennia een stille mysterie. Wanneer astronomen draaiende sterrenstelsels observeren, zien ze iets dat de regels van de zwaartekracht zoals wij die kennen tart. De sterren aan de buitenranden van deze kosmische eilanden bewegen veel te snel om enkel door de zichtbare materie van het sterrenstelsel op hun plaats te worden gehouden. Volgens ons standaard begrip van de natuurkunde zouden deze sterren de leegte in moeten vliegen, maar ze blijven toch in hun baan. Om dit op te lossen, hebben de meeste wetenschappers voorgesteld dat onzichtbare "donkere materie" de extra zwaartekracht levert die nodig is om de sterren in het gareel te houden. Een andere stroming van denken suggereert echter dat het probleem niet ligt bij ontbrekende materie, maar bij ons begrip van de zwaartekracht zelf. Dit alternatieve idee, bekend als Modified Newtonian Dynamics, of MOND, stelt dat de zwaartekracht anders werkt wanneer de krachten die in het spel zijn extreem zwak zijn, zoals in de diepe uithoeken van een sterrenstelsel. In plaats van een verborgen substantie, volgt het universum in deze omgevingen met lage versnelling simpelweg een andere set regels.

Jarenlang hebben onderzoekers geprobeerd een volledige theorie van deze aangepaste zwaartekracht op te bouwen. De meeste pogingen hebben zich gericht op het veranderen van hoe de zwaartekracht werkt, waarbij de aantrekkingskracht als de enige factor wordt behandeld die aanpassing behoeft. Anderen hebben gesuggereerd dat de weerstand die objecten voelen wanneer ze proberen te bewegen — wat natuurkundigen traagheid of inertie noemen — het deel kan zijn dat verandert. Maar een nieuw artikel door Mordehai Milgrom van het Weizmann Institute of Science suggereert dat de waarheid complexer kan zijn. Hij stelt voor dat in een fundamentele theorie van dit fenomeen zowel de zwaartekracht als de traagheid tegelijkertijd aangepast moeten worden. Hij beweert niet de definitieve oplossing te hebben gevonden, maar brengt eerder een uitgestrekt landschap in kaart van mogelijke theorieën waarin deze twee veranderingen samenwerken, en laat zien hoe zij dezelfde vreemde observaties die we in de hemel zien, kunnen verklaren zonder enige donkere materie te vereisen.

Milgrams werk begint met het bekijken van de wiskundige "actie" die beschrijft hoe het universum opereert. In de natuurkunde is dit een manier om het pad dat een object aflegt te berekenen door de energie van beweging af te wegen tegen de krachten die erop inwerken. In het standaard Newtoniaanse wereldbeeld zijn er drie onderdelen bij deze berekening: de energie van het zwaartekrachtsveld, de interactie tussen materie en dat veld, en de energie van de bewegende materie zelf. Traditionele MOND-theorieën passen meestal slechts één van deze onderdelen aan. Sommigen veranderen het zwaartekrachtsveld, terwijl anderen de beweging van de materie veranderen. Milgram vraagt zich af wat er gebeurt als we zowel het zwaartekrachtsveld als de beweging van de materie tegelijkertijd veranderen, terwijl we de interactie tussen beide ongemoeid laten. Hij construeert families van theorieën die deze twee modificaties combineren, waardoor een spectrum van mogelijkheden ontstaat dat varieert van pure modificatie van de zwaartekracht tot pure modificatie van de traagheid.

De sleutel tot zijn aanpak is een enkele getal dat fungeert als een draaiknop, waarmee de theorie van de ene naar de andere uiterste verschuift. Aan de ene kant van de draaiknop past de theorie alleen de zwaartekracht aan, wat de aanpak is die de meeste wetenschappers tot nu toe hebben gevolgd. Aan de andere kant past de theorie alleen de traagheid aan. In het midden past de theorie beide aan. Milgram laat zien dat voor elke instelling op deze draaiknop, de gecombineerde effect van deze twee veranderingen nog steeds de primaire succesfactor van MOND kan reproduceren: het vermogen om te verklaren waarom sterren in de buitenste regio's van sterrenstelsels constante snelheden behouden, ongeacht hun afstand tot het centrum. Dit is een cruciale bevinding omdat het aantoont dat het fenomeen dat we observeren niet afhankelijk is van één specifieke manier om de natuurkunde aan te passen. In plaats daarvan kan het voortkomen uit een grote verscheidenheid aan onderliggende mechanismen, zolang de veranderingen aan de zwaartekracht en de traagheid correct op elkaar zijn afgestemd.

Een van de meest interessante ontdekkingen in dit artikel is dat noch de aangepaste zwaartekracht, noch de aangepaste traagheid op zichzelf werkt om het MOND-effect te creëren. Als men een theorie neemt die alleen de zwaartekracht verandert en deze koppelt aan de standaard Newtoniaanse beweging, dan krijgt men niet de juiste resultaten. Op dezelfde wijze, als men alleen de beweging van de deeltjes verandert maar de standaard zwaartekracht behoudt, faalt de theorie. Het is alleen de specifieke combinatie van de twee die de waargenomen gedraging creëert. Dit suggereert dat als er een diepere, meer fundamentele theorie van het universum bestaat, deze mogelijk een enkel onderliggend principe bevat dat zowel de werking van de zwaartekracht als de weerstand van objecten tegen verandering van beweging wijzigt. Het is een herinnering dat het universum misschien niet zo eenvoudig is als het aanpassen van slechts één regel; het kan een gecoördineerde verschuiving vereisen in hoe ruimte, tijd en materie met elkaar interageren.

Milgram onderzoekt ook hoe deze gemengde theorieën zich gedragen in de diepe, stille regio's van het universum waar de zwaartekracht het zwakst is. Hij stelt vast dat deze theorieën van nature leiden tot een specifieke relatie tussen de massa van een sterrenstelsel en de snelheid waarmee het draait. Deze relatie, bekend als de mass-asymptotic-speed relation, is een van de meest robuuste observaties in de astronomie. Zijn werk toont aan dat deze relatie standhoudt in zijn gehele spectrum van gemengde theorieën, ongeacht hoe de draaiknop wordt ingesteld. Dit versterkt het idee dat de verbinding tussen massa en snelheid een fundamentele eigenschap van het universum is, een eigenschap die verschijnt of we nu de zwaartekracht, de traagheid of beide aanpassen. Hij merkt echter ook op dat hoewel deze theorieën het overeenkomen over het grote plaatje, ze mogelijk verschillende uitkomsten voorspellen voor kleinere, specifiekere details, zoals hoe de zwaartekracht binnen ons eigen zonnestelsel werkt of hoe sterrenstelsels met hun buren interageren.

Het artikel dient als een heuristisch instrument, een manier om de grenzen van wat mogelijk is te verkennen zonder te beweren de definitieve theorie te hebben gevonden. Milgram geeft toe dat deze modellen enigszits kunstmatig zijn omdat ze nog niet voortkomen uit één enkel, verenigend idee dat verklaart waarom zowel de zwaartenkracht als de traagheid samen zouden veranderen. Hij biedt geen eindproduct aan, maar eerder een kaart van het terrein. Door te laten zien dat een breed scala aan gemengde theorieën kan werken, daagt hij de gemeenschap uit om verder te kijken dan de huidige favorieten en te overwegen dat de oplossing voor het donkere materie-mysterie wellicht ligt in een complexer samenspel van krachten. Het werk suggereert dat de weg naar begrip van het universum van ons kan vragen dat we niet alleen één aspect van de natuurkunde heroverwegen, maar de zeer aard van beweging en aantrekking als een verenigd geheel.

Uiteindelijk benadrukt dit onderzoek de diversiteit van de manieren waarop het universum geconstrueerd zou kunnen zijn. Het laat zien dat het vreemde gedrag van sterrenstelsels niet wijst op één enkele, unieke oplossing, maar op een familie van mogelijkheden. Of het universum ervoor kiest om de zwaartekracht, de traagheid of een combinatie van beide aan te passen, blijft een open vraag. Wat duidelijk is, is dat het antwoord waarschijnlijk een delicate balans inhoudt tussen hoe het kosmos aan objecten trekt en hoe die objecten reageren op die aantrekkingskracht. Totdat we het universum op een manier kunnen observeren die onderscheid maakt tussen deze verschillende mogelijkheden, zal het mysterie van de ontbrekende massa — of de ontbrekende regels — de zoektocht naar een dieper begrip van de wetten die ons bestaan beheersen, blijven aanjagen.