Sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels vallen helemaal niet uiteen zonder donkere materie, stelt hoogleraar Erik Verlinde.

Wanneer we naar sterrenstelsels kijken, dan zien we deze heel snel roteren. Eigenlijk te snel, zo stelden onderzoekers in het verleden. De zwaartekracht van de zichtbare materie waaruit deze sterrenstelsels bestaan, is namelijk niet krachtig genoeg om zo’n snel bewegend sterrenstelsel bij elkaar te houden. En toch vallen deze sterrenstelsels niet uit elkaar. Hoe kan dat? Om dat vraagstuk op te lossen, bedachten onderzoekers donkere materie. Deze vorm van materie is onzichtbaar, maar tegelijkertijd onmisbaar: het is de ‘superlijm’ die sterrenstelsels, maar ook clusters van sterrenstelsels bij elkaar houdt.

Geen donkere materie
Een prachtige theorie. Maar nog altijd hebben we donkere materie niet direct waargenomen en hebben we geen idee waar het uit bestaat. Dat is eigenlijk heel logisch, zo stelt theoretisch natuurkundige Erik Verlinde, verbonden aan de Universiteit van Amsterdam, nu. Want donkere materie bestaat helemaal niet.

“Wanneer je de oorsprong van zwaartekracht begrijpt, ontdek je waarom deze op grote schaal afwijkt van Einsteins theorie”

Zwaartekracht
Oké. Maar hoe blijven die sterrenstelsels dan heel? Verlinde denkt dat te kunnen verklaren met behulp van een beter begrip van wat zwaartekracht is en zónder gebruik te hoeven maken van de hypothetische donkere materie. “In mijn paper verklaar ik waarom zwaartekracht sterker kan zijn dan Einsteins theorie doet verwachten. Wanneer je de oorsprong van zwaartekracht begrijpt, ontdek je waarom deze op grote schaal afwijkt van Einsteins theorie.”

De theorie uit 2010
Verlinde borduurt voort op een theorie die hij zes jaar geleden presenteerde en die draait om de oorsprong van de zwaartekracht. In die theorie – die dus anders is dan de theorieën van Einstein en Newton – ziet Verlinde de zwaartekracht niet als een fundamentele kracht, maar als een verschijnsel dat voortkomt uit een onderliggende theorie. Dat klinkt allemaal misschien wat wollig, maar je kunt het vergelijken met het begrip temperatuur. Temperatuur is ook geen verschijnsel dat op zichzelf staat, maar komt voort uit de bewegingen van heel veel microscopisch kleine deeltjes, zoals atomen of moleculen.

Bits
Verlindes theorie is opgebouwd uit fundamentele brokjes informatie die zitten opgeslagen in de structuur van ruimtetijd. Die brokken informatie kun je vergelijken met ‘bits’: de informatie-eenheden van een computer. En zoals temperatuur dus voortvloeit uit bewegingen van heel kleine deeltjes, komt de zwaartekracht voort uit onderliggende veranderingen van de fundamentele ‘bits’. Die veranderingen van de microscopisch kleine brokjes informatie nemen wij waar als zwaartekracht, oftewel de kracht die ervoor zorgt dat jij van de trap kunt vallen, terwijl satellieten in de lucht blijven hangen.

Het vervolg
En nu bouwt Verlinde dus op deze theorie voort en toont aan dat donkere materie overbodig is wanneer we de overtollige zwaartekracht in sterrenstelsels willen verklaren. In zijn nieuwe paper laat hij zien hoe de afwijkende bewegingen van sterren in onze Melkweg en andere sterrenstelsels naadloos uit zijn berekeningen volgen. En daarmee toont Verlinde dus voor het eerst aan dat zijn theorie – die uitgaat van volledig nieuwe basisprincipes – overeenkomt met wat astronomen daadwerkelijk in de ruimte zien gebeuren.

Donkere energie is een vorm van energie waarvan het bestaan nog niet bewezen is. Donkere energie zou de drijvende kracht zijn achter de versnelde uitdijing van het heelal en gedraagt zich alsof het negatieve zwaartekracht uitoefent. “Ons universum is niet leeg,” stelt Verlinde. “Op grote schaal zien we bewijs voor donkere energie. Die geeft ruimte energiedichtheid. Als je bekijkt hoe materie deze dichtheid beïnvloedt, is ruimte net een elastisch materiaal. Het is rekbaar en veroorzaakt een kracht die we in sterrenstelsels zien. Dit verklaart de overtollige zwaartekracht in deze situaties zonder uit te gaan van donkere materie.”

Holografisch principe gecorrigeerd
Verlinde corrigeert met zijn theorie het holografisch principe dat eind vorige eeuw door Gerart ‘t Hooft is ontwikkeld. Dit principe stelt dat alle informatie die het heelal bevat, te beschrijven is op een denkbeeldige schil rondom het universum. Verlinde toont echter aan dat niet alle informatie op de schil af te beelden is. Een deel van de informatie – het deel dat de zogenoemde donkere energie in ons heelal beschrijft – blijft over de gehele ruimte verspreid en deze extra informatie heeft een meetbaar effect op de materie in het heelal. En dat effect is in het verleden onterecht toegeschreven aan donkere materie. “Deze energie (donkere energie, red.) veroorzaakt een effect waardoor materie sterker naar elkaar trekt met overtollige zwaartekracht tot gevolg. Het volgt echt uit microscopisch begrip van hoe zwaartekracht ontstaat.”

Revolutie
Als Verlinde het bij het juiste eind heeft, is dat een ontdekking van wereldformaat. “Onze gangbare ideeën over ruimte, tijd en zwaartekracht moeten hoognodig op de schop,” stelt Verlinde. Hij wijst erop dat de zwaartekracht zich in sommige omstandigheden anders gedraagt dan Einstein ons wil laten geloven. “We weten al heel lang dat Einsteins theorie van de zwaartekracht niet door één deur kan met de quantummechanica. Veel natuurkundigen zoals ik werken aan een herziening van de theorie. Onze inzichten zijn drastisch aan het veranderen en ik denk dat we ons aan de vooravond van een wetenschappelijke revolutie bevinden.”

“Als donkere materie een deeltje blijkt te zijn, zit ik fout”

Maar hoe weten we nu of Verlinde het bij het juiste eind heeft en dus een bijdrage levert aan deze revolutie? “Mijn theorie zou ontkracht worden als we ooit een deeltje vinden dat exact verklaart wat er in sterrenstelsels en clusters gebeurt. Als donkere materie een deeltje blijkt te zijn, zit ik fout. Maar mijn theorie omvat ook een voorspellende formule voor dit gedrag van zwaartekracht. Deze kan door waarnemingen beproefd worden.” Het is dus ook mogelijk om de theorie van Verlinde te bevestigen. “Natuurlijk hoop ik erop dat dat zal gebeuren.”