Zat de legende ernaast? Sterren wijzen op fouten in Newtons gravitatiewet
Newtons gravitatiewet is fundamenteel voor de astronomie, maar nieuwe observaties van de sterren duiden erop dat de legende ernaast zat. Als dat klopt, moeten we ons begrip van het heelal herzien.
Als we een satelliet rond de aarde sturen, berekenen we zijn route met behulp van een vergelijking van bijna 350 jaar oud: Newtons wet van de zwaartekracht of gravitatiewet.
We vertrouwen er sterk op en gebruiken de wet als basis voor het bestuderen van de beweging van sterren en stelsels.
Maar uit nieuwe waarnemingen blijkt dat sommige sterren in de Melkweg lijken te bewegen op een manier die in strijd is met Newtons gravitatiewet.
Óf de waarnemingen zijn fout en er is verdere analyse nodig – óf het ondenkbare is plotseling denkbaar: misschien had Newton ongelijk.
Een stel stoutmoedige wetenschappers vindt nu dat we Newtons gravitatiewet moeten vervangen door een nieuwe.
Als ze gelijk hebben, moeten we ook af van het idee van de mysterieuze donkere materie, die de hele kosmologie bepaalt.
Donkere materie redt zwaartekracht
Isaac Newton bracht zijn baanbrekende verhandeling ‘Wiskundige beginselen van de natuurfilosofie’ uit op 5 juli 1687.
Daarin betoogt hij dat twee lichamen elkaar aantrekken door hun massa en dat de aantrekkingskracht afneemt naarmate de afstand ertussen toeneemt.
Telkens als de afstand verdubbelt, neemt de aantrekkingskracht af tot een kwart. En het principe geldt volgens Newton overal, van het ene uiteinde van het heelal tot het andere.
Albert Einstein bouwde voort op Newtons gravitatiewet met zijn algemene relativiteitstheorie uit 1915. Daarin vertelt hij hoe massa-aantrekking plaatsvindt: zware lichamen krommen de ruimte om zich heen. Zo vormt het gravitatieveld van de aarde een ‘kuil’ in de ruimte waarin de maan rolt als een rouletteballetje.
Einstein was het met Newton eens dat de aantrekkingskracht tussen twee massa’s tot een kwart daalt als de afstand ertussen verdubbelt.
Dit dogma werd echter in de jaren 1970 in twijfel getrokken toen astronoom Vera Rubin een verrassende ontdekking deed: vertraagt de zwaartekracht zozeer als Newton en Einstein beweren, dan zouden de buitenste sterren in een stelsel door de rotatie weggeslingerd moeten worden als de waterdruppels in een draaiende wasmachine.
Rubin stelde dat de stelsels omgeven zijn door een wolk onzichtbare donkere materie met een enorme massa die de buitenste sterren door zijn zwaartekracht vasthoudt.
Donkere materie kan de rotatie van stelsels verklaren en de gravitatiewetten redden die door Rubins waarnemingen in gevaar zijn gekomen.
Sindsdien is donkere materie een hoeksteen van vrijwel al het astronomisch onderzoek.
Tot nu toe.
Rebellen dagen reuzen uit
Astronomen stonden sceptisch tegenover het idee van donkere materie. Zij dachten dat sterrenstelsels uitsluitend de heldere sterren en gassen bevatten die we zien.
De bekendste criticus van donkere materie was de Israëlische astrofysicus Mordehai Milgrom. In 1983 deed hij waar bijna geen astronoom maar aan durfde te denken: hij corrigeerde Newtons wet van de zwaartekracht.
Het resultaat: een theorie die MOND (modified Newtonian dynamics) wordt genoemd. Volgens MOND geldt de wet van Newton op kleine kosmische schaal, zoals in het zonnestelsel, maar niet over tienduizenden lichtjaren afstand.
De theorie kon de kosmologie in een diepe crisis storten, omdat ze de zwaartekracht zelf ter discussie stelde.
De Israëlische astrofysicus Mordehai Milgrom stelde in 1983 een alternatief voor Isaac Newtons gravitatiewet voor en pleit sindsdien voor zijn controversiële theorie.
De belangstelling voor MOND was vrij bescheiden, maar groeit nu. Dat komt omdat natuurkundigen al tientallen jaren naar donkere materie zoeken in ondergrondse detectoren en die proberen te produceren in ’s werelds grootste versneller, de LHC – maar zonder succes.
Er is dus nog steeds geen tastbaar bewijs dat donkere materie bestaat.
Sterrenhopen negeren Newton
De Gaia-telescoop werd gelanceerd in 2013 en heeft sindsdien 2 miljard sterren in de Melkweg in kaart gebracht.
Gaia’s waarnemingen van vijf jonge sterrenhopen vlak bij de zon leveren het sterkste argument tot nu toe tegen Newton en ten gunste van MOND.
De hopen bevinden zich op 28.000 lichtjaar van het hart van de Melkweg: ver genoeg om aan te kunnen tonen of de bewegingen van de sterren de gravitatiewet van Newton óf MOND gehoorzamen.
De ruimtetelescoop Gaia draait op 1,5 miljoen kilometer van de aarde in een baan op lagrangepunt L2, waar de baan niet verstoord wordt.
Gaia toont de omvang van sterrenhopen
De Gaia-telescoop meet de posities van 2 miljard sterren in de Melkweg.
Gaia meet ook de golflengten van het licht van de sterren, en daarmee hun chemische samenstelling. Zo kan Gaia zien welke sterren in dezelfde sterrenhopen zijn ontstaan.
De zwaartekracht die uitgaat van het sterrenstelsel rekt de sterrenhoop op. De precieze vorm van de hoop hangt af van de sterkte van de zwaartekracht in het draaiende stelsel.
Recente waarnemingen van sterrenhopen van Gaia lijken niet overeen te komen met de gravitatiewet van Newton, en wereldwijd debatteren astrofysici over de mogelijke gevolgen daarvan.
In sterrenhopen worden zo’n duizend sterren bijna gelijktijdig geboren in een grote gaswolk. Aanvankelijk zijn ze bol, maar als ze met het stelsel meedraaien, rekken ze uit door de zwaartekracht van sterren in het hart van het stelsel.
De sterrenhoop wordt zo langgerekt dat er aan de uiteinden sterren vandoor gaan. Volgens de gravitatiewetten van zowel Newton als Einstein zouden die twee groepen sterren even groot moeten zijn, maar volgens de waarnemingen van Gaia zijn er bij de ‘voordeur’ van de vijf hopen meer dan aan de ‘achterdeur’.
Nieuwe gravitatiewet doet donkere materie de das om
1. Gevestigde theorie heeft donkere materie nodig
Door de rotatie van sterrenstelsels (witte pijlen) moeten de buitenste sterren volgens Newton wegvliegen. De huidige verklaring: de zwaartekracht van de sterren (blauwe pijl) en van donkere materie (zwarte pijl) houdt de sterren op hun plaats.
2. Sterrenhoop wordt opgesplitst
De rotatie van de Melkweg rekt de sterrenhoop Hyaden uit. Volgens Newton zou er een gelijk aantal sterren voor (r) en achter (l) de sterrenhoop moeten zijn. Maar er zijn er meer, zoals voorspeld door de alternatieve gravitatietheorie.
3. Sterren volgen alternatieve theorie
De aantrekkingskracht over grote afstanden neemt minder af dan Newton dacht. Sterren kunnen dus op hun plaats blijven door de zwaartekracht van zichtbare massa (blauwe pijl) en zonder de ‘hulp’ van donkere materie.
Gaia’s observaties passen bij MOND, die voorspelt dat de zwaartekracht over grote afstanden minder afneemt dan Newton en Einstein beweren.
De versterkte zwaartekracht vanuit het centrum van de Melkweg trekt meer sterren door de voordeur van de hoop naar buiten en vertraagt het transport door de achterdeur.
Nu gaat het onderzoeksteam onder leiding van astrofysicus Pavel Kroupa van de Karelsuniversiteit in Praag nog meer sterrenhopen bekijken met Gaia om vast te stellen of ze allemaal luisteren naar de controversiële theorie.
Zo ja, dan kan Newtons theorie naar de schroothoop, samen met donkere materie en de hele moderne kosmologie.
Of, zoals Pavel Kroupa zei in een interview met New Scientist bij de publicatie van de resultaten van zijn team: ‘Als de MOND-theorie klopt, dan zijn alle huidige berekeningen over sterrenstelsels fout. Dan zijn we terug bij af en moeten we de kosmologie opnieuw uitvinden.’