Maak kennis met de kameleon-theorie: een alternatief voor de algemene relativiteitstheorie dat opvallend goed werkt.

De algemene relativiteitstheorie: wie kent ‘m niet? Bedacht door Albert Einstein om het zwaartekrachtseffect van grote objecten in de ruimte te kunnen verklaren en uitgegroeid tot het fundament van de moderne kosmologie. En terecht. Want hoe vaak onderzoekers deze theorie ook toetsen aan de hand van wat we daadwerkelijk in de kosmos zien, houdt deze vrijwel altijd moedig stand.

Simulaties
Dat alles weerhoudt onderzoekers er echter niet van om toch te blijven zoeken naar alternatieven. Eén zo’n alternatief is de kameleon-theorie. “In deze theorie is er naast de standaard zwaartekracht nog een extra kracht, die we ook wel de ‘vijfde kracht’ noemen, omdat deze zich onderscheidt van de andere vier fundamentele natuurkrachten (te weten: zwaartekracht, elektromagnetische kracht, zwakke kernkracht en sterke kernkracht, red.),” zo vertelt onderzoeker Baojiu Li. Onderzoekers hebben nu met behulp van supercomputers gekeken of een sterrenstelsel zoals het onze ook onder de zwaartekrachtswetten van de kameleon-theorie kan ontstaan. En de simulaties bewijzen dat het kan. “Middels onze simulaties hebben we voor het eerst aangetoond dat wanneer je de zwaartekracht verandert, dat niet voorkomt dat spiraalsterrenstelsels gevormd worden,” vertelt onderzoeker Christian Arnold. “Ons onderzoek betekent niet dat de algemene relativiteitstheorie niet klopt, maar laat wel zien dat het niet de enige manier hoeft te zijn waarop we de rol van zwaartekracht in de evolutie van het universum verklaren.”


Zwarte gaten en zwaartekracht
In hun simulaties legden de onderzoekers de focus op supermassieve zwarte gaten die zich in het hart van sterrenstelsels bevinden. Deze zwarte gaten spelen een belangrijke rol in de evolutie van sterrenstelsels. Wanneer zij grote hoeveelheden materie verorberen, genereren ze krachtige, warme winden waarmee ze de stervorming enorm af kunnen remmen. Die winden zorgen er namelijk voor dat het gas – waaruit sterren geboren worden – uit het sterrenstelsel verdwijnt. De mate waarin een gulzig zwart gat het mes zet in de stervorming wordt mede bepaald door de zwaartekracht. Als je die aanpast, verandert namelijk ook de hoeveelheid warmte die een gulzig zwart gat afgeeft en dus de mate waarin deze de stervorming afremt. Vandaar dat onderzoekers besloten om te kijken wat er gebeurt als de zwaartekracht verandert doordat niet de algemene relativiteitstheorie, maar de kameleon-theorie de dienst uitmaakt. En simulaties wijzen dus uit dat er ook dan gewoon nog spiraalsterrenstelsels kunnen ontstaan.

Een computersimulatie van een spiraalsterrenstelsel. Afbeelding: Christian Arnold / Baojiu Li / Durham University.

Waarom een alternatief?
Het lijkt misschien vreemd dat onderzoekers zoveel moeite doen om een alternatieve theorie te toetsen, terwijl de algemene relativiteitstheorie zich al jaren kranig staande houdt. “De algemene relativiteitstheorie is dé zwaartekrachtstheorie van dit moment,” bevestigt Baojiu. “Maar er zijn een paar goede redenen om te blijven zoeken naar alternatieven.” Want de algemene relativiteitstheorie kent een paar problemen, zoals donkere energie en quantummechanica (zie kader).

Donkere materie en quantummechanica
In 1998 ontdekten onderzoekers dat het heelal versneld uitdijt. En dat is alleen te verklaren als er sprake is van een kosmologische constante: een onzichtbare energie in het heelal die afstotend werkt. Vandaag de dag duiden we deze nog altijd mysterieuze energie ook wel aan als donkere energie. Deze kosmologische constante werd zonder al te veel problemen, oftewel zonder dat de zwaartekrachtswetten hoefden te worden aangepast, aan de beroemde algemene relativiteitstheorie toegevoegd. En toch blijft het bestaan van zo’n kosmologische constante aan onderzoekers knagen. Sterker nog, in gesprek met Scientias.nl noemde professor Daniel Baumann dit eerder “het grootste probleem binnen de natuurkunde” (en, maar dat is een ander verhaal, één van de belangrijkste redenen om het behoorlijk radicale idee van een multiversum een kans te geven). “De waarde van deze constante moet wel onnatuurlijk klein zijn om onze waarnemingen te kunnen verklaren,” vat Baojiu de problematiek omtrent deze kosmologische constante samen.
En dan is er ook nog de quantummechanica, de theorie die alles op kleine schaal (denk aan atomen en subatomaire deeltjes) prima beschrijft, maar niet te verenigen is met de algemene relativiteitstheorie die juist weer heel goed werkt op grote schaal. Een probleem als je bedenkt dat grote dingen gemaakt zijn van kleine dingen en de twee theorieën linksom of rechtsom toch met elkaar verbonden moeten zijn.

Deze losse eindjes van de algemene relativiteitstheorie houden de deur voor alternatieve theorieën op een kier. Wat we daarnaast ook niet moeten vergeten, is dat de algemene relativiteitstheorie weliswaar heel vaak, maar wel altijd onder vergelijkbare omstandigheden is getoetst, vertelt Baojiu aan Scientias.nl. “De algemene relativiteitstheorie is uitgebreid getest in het zonnestelsel en andere kleine systemen, zoals twee pulsars of twee zwarte gaten die om elkaar heen cirkelen.” Wat al deze experimenten echter gemeen hebben, is dat ze draaien om relatief kleinschalige systemen en plaatsvinden in gebieden met een hoge dichtheid. “Hoewel de algemene relativiteitstheorie het fundament van de kosmologie is, is deze op kosmologische schaal – we hebben het dan over miljoenen of miljarden lichtjaren – veel minder overtuigend gevalideerd. Het bestuderen van alternatieve theorieën in de context van de kosmologie stelt kosmologen in staat om de algemene relativiteitstheorie op zulke grote schalen (en vaak in regio’s met een beperkte dichtheid) aan de hand van observaties te toetsen.”

Of de algemene relativiteitstheorie uiteindelijk stand houdt of dat er toch ruimte ontstaat voor alternatieve theorieën, is nu lastig te voorspellen. Op korte termijn zal de algemene relativiteitstheorie in ieder geval weer kritisch tegen het licht worden gehouden. Daarin is een hoofdrol weggelegd voor de Square Kilometer Array Telescope – die in 2020 begint met observeren. Deze telescoop gaat onderzoek doen naar hoe de eerste sterren en sterrenstelsels na de oerknal zijn ontstaan en moet tevens meer inzicht geven in wat donkere energie nu precies is. Daarnaast kunnen data van de Square Kilometer Array Telescope ook gebruikt worden om de algemene relativiteitstheorie en kameleon-theorie tegen elkaar af te wegen, zo vertelt Baojiu. “Een onderscheidend kenmerk van de kameleon-theorie is dat deze voorspelt dat het universum een substantieel groter aantal kleine, klonterige, door donkere materie gevormde objecten herbergt dan de algemene relativiteitstheorie voorspelt. Deze kleine objecten kunnen neutrale waterstof herbergen en de ruimtelijke verdeling daarvan kan gemeten worden door radiotelescopen zoals de Square Kilometer Array Telescope.” Enige voorzichtigheid is daarbij natuurlijk geboden. De ontdekking van relatief veel kleine, klonterige objecten in het universum is namelijk nog niet direct bewijs dat de kameleon-theorie een kern van waarheid bevat. “Zo moeten we eerst de mogelijkheid dat het overvloediger dan de algemene relativiteitstheorie voorspelt opduiken van deze kleine objecten het resultaat is van andere natuurkundige processen, zien uit te sluiten.” Wordt ongetwijfeld vervolgd..