Sedan många år tillbaka, astronomer och fysiker har varit i en konflikt. Är den mystiska mörka materien som vi observerar djupt i universum verklig, eller är det vi ser resultatet av subtila avvikelser från tyngdlagarna som vi känner dem? 2016, Den holländska fysikern Erik Verlinde föreslog en teori av det andra slaget:emergent gravitation. Ny forskning, publiceras i Astronomi &Astrofysik Denna vecka, flyttar gränserna för observationer av mörk materia till galaxernas okända yttre regioner, och på så sätt omvärderar flera mörk materiamodeller och alternativa gravitationsteorier. Mätningar av gravitationen av 259, 000 isolerade galaxer visar ett mycket nära samband mellan bidragen från mörk materia och de av vanlig materia, som förutspåtts i Verlindes teori om emergent gravitation och en alternativ modell som kallas Modified Newtonian Dynamics. Dock, resultaten verkar också överensstämma med en datorsimulering av universum som antar att mörk materia är "riktiga saker".

Den nya forskningen utfördes av ett internationellt team av astronomer, ledd av Margot Brouwer (RUG och UvA). Ytterligare viktiga roller spelades av Kyle Oman (RUG och Durham University) och Edwin Valentijn (RUG). 2016, Brouwer utförde också ett första test av Verlindes idéer; den här gången, Verlinde själv gick också med i forskargruppen.

Materia eller gravitation?

Än så länge, mörk materia har aldrig observerats direkt - därav namnet. Det astronomer observerar på natthimlen är konsekvenserna av materia som potentiellt finns närvarande:böjning av stjärnljus, stjärnor som rör sig snabbare än förväntat, och till och med effekter på hela galaxers rörelse. Utan tvekan är alla dessa effekter orsakade av gravitationen, men frågan är:observerar vi verkligen ytterligare gravitation, orsakad av osynlig materia, eller är själva tyngdlagarna det som vi inte helt har förstått ännu?

För att svara på denna fråga, den nya forskningen använder en liknande metod som den som användes i det ursprungliga testet 2016. Brouwer och hennes kollegor använder sig av en pågående serie fotografiska mätningar som startade för tio år sedan:KiloDegree Survey (KiDS), utförs med ESO:s VLT Survey Telescope i Chile. I dessa observationer mäter man hur stjärnljus från långt borta galaxer böjs av gravitationen på väg till våra teleskop. Medan mätningarna av sådana "linseffekter" 2016 bara täckte en yta på cirka 180 kvadratgrader på natthimlen, under tiden har detta utökats till cirka 1000 kvadratgrader – vilket gör det möjligt för forskarna att mäta fördelningen av gravitationen i omkring en miljon olika galaxer.

Jämförande testning

Brouwer och hennes kollegor valde ut över 259, 000 isolerade galaxer, för vilket de kunde mäta den så kallade "Radial Acceleration Relation" (RAR). Denna RAR jämför mängden tyngdkraft som förväntas baserat på den synliga materien i galaxen, till mängden gravitation som faktiskt finns – med andra ord:resultatet visar hur mycket "extra" gravitation det finns, utöver det på grund av normal materia. Tills nu, mängden extra gravitation hade bara bestämts i galaxernas yttre regioner genom att observera stjärnornas rörelser, och i ett område ungefär fem gånger större genom att mäta rotationshastigheten för kall gas. Genom att använda tyngdkraftens linseffekter, forskarna kunde nu bestämma RAR vid gravitationsstyrkor som var hundra gånger mindre, vilket gör att de kan tränga in mycket djupare in i regionerna långt utanför de enskilda galaxerna.

Detta gjorde det möjligt att mäta den extra gravitationen extremt exakt - men är denna gravitation resultatet av osynlig mörk materia, eller behöver vi förbättra vår förståelse av själva gravitationen? Författaren Kyle Oman indikerar att antagandet om "riktiga grejer" åtminstone delvis verkar fungera:"I vår forskning, vi jämför mätningarna med fyra olika teoretiska modeller:två som antar förekomsten av mörk materia och utgör basen för datorsimuleringar av vårt universum, och två som modifierar gravitationslagarna - Erik Verlindes modell av emergent gravitation och den så kallade 'Modified Newtonian Dynamics' eller MOND. En av de två simuleringarna av mörk materia, MÖSS, gör förutsägelser som matchar våra mått väldigt bra. Det kom som en överraskning för oss att den andra simuleringen, BAHAMAS, ledde till mycket olika förutsägelser. Att förutsägelserna för de två modellerna överhuvudtaget skiljde sig var redan förvånande, eftersom modellerna är så lika. Men dessutom, vi skulle ha förväntat oss att om en skillnad skulle visa sig, BAHAMAS skulle prestera bäst. BAHAMAS är en mycket mer detaljerad modell än MICE, närmar sig vår nuvarande förståelse av hur galaxer bildas i ett universum med mörk materia mycket närmare. Fortfarande, MICE presterar bättre om vi jämför dess förutsägelser med våra mätningar. I framtiden, baserat på våra upptäckter, vi vill ytterligare undersöka vad som orsakar skillnaderna mellan simuleringarna."

Unga och gamla galaxer

Det verkar alltså som, åtminstone en mörk materia-modell verkar fungera. Dock, de alternativa gravitationsmodellerna förutsäger också den uppmätta RAR. Ett stopp, det verkar – så hur tar vi reda på vilken modell som är korrekt? Margot Brouwer, som ledde forskargruppen, fortsätter:"Baserat på våra tester, vår ursprungliga slutsats var att de två alternativa gravitationsmodellerna och MICE matchade observationerna någorlunda väl. Dock, det mest spännande var ännu att komma:eftersom vi hade tillgång till över 259, 000 galaxer, vi skulle kunna dela in dem i flera typer – relativt unga, blå spiralgalaxer kontra relativt gamla, röda elliptiska galaxer." Dessa två typer av galaxer uppstår på väldigt olika sätt:röda elliptiska galaxer bildas när olika galaxer interagerar, till exempel när två blå spiralgalaxer passerar varandra nära, eller till och med kollidera. Som ett resultat, förväntan inom partikelteorin om mörk materia är att förhållandet mellan vanlig och mörk materia i de olika typerna av galaxer kan variera. Modeller som Verlindes teori och MOND å andra sidan använder sig inte av mörk materia partiklar, och därför förutsäga ett fast förhållande mellan den förväntade och uppmätta gravitationen i de två typerna av galaxer – det vill säga, oberoende av deras typ. Brouwer:"Vi upptäckte att RAR:erna för de två typerna av galaxer skilde sig markant. Det skulle vara en stark antydan till förekomsten av mörk materia som en partikel."

Dock, det finns en varning:gas. Många galaxer är förmodligen omgivna av ett diffust moln av het gas, vilket är mycket svårt att observera. Om det vore så att det knappt finns någon gas runt unga blå spiralgalaxer, men att gamla röda elliptiska galaxer lever i ett stort gasmoln – med ungefär samma massa som stjärnorna själva – då kan det förklara skillnaden i RAR mellan de två typerna. För att nå en slutgiltig bedömning av den uppmätta skillnaden, man skulle därför också behöva mäta mängderna diffus gas – och det är precis vad som inte är möjligt med KiDS-teleskopen. Andra mätningar har gjorts för en liten grupp på runt hundra galaxer, och dessa mätningar hittade verkligen mer gas runt elliptiska galaxer, men det är fortfarande oklart hur representativa dessa mätningar är för 259, 000 galaxer som studerades i den aktuella forskningen.

Mörk materia för vinsten?

Om det visar sig att extra gas inte kan förklara skillnaden mellan de två typerna av galaxer, då är resultaten av mätningarna lättare att förstå i termer av mörk materia partiklar än i termer av alternativa gravitationsmodeller. Men även då, ärendet är inte avgjort ännu. Även om de uppmätta skillnaderna är svåra att förklara med MOND, Erik Verlinde ser fortfarande en utväg för sin egen modell. Verlinde:"Min nuvarande modell gäller bara statisk, isolerat, sfäriska galaxer, så det kan inte förväntas särskilja de olika typerna av galaxer. Jag ser dessa resultat som en utmaning och inspiration för att utveckla en asymmetrisk, dynamisk version av min teori, där galaxer med en annan form och historia kan ha en annan mängd "skenbar mörk materia".

Därför, även efter de nya mätningarna, Tvisten mellan mörk materia och alternativa gravitationsteorier är inte avgjord ännu. Fortfarande, de nya resultaten är ett stort steg framåt:om den uppmätta skillnaden i gravitation mellan de två typerna av galaxer är korrekt, sedan den ultimata modellen, vilken det än är, måste vara tillräckligt exakt för att förklara denna skillnad. Detta innebär framför allt att många befintliga modeller kan kasseras, vilket avsevärt tunnar ut landskapet av möjliga förklaringar. Dessutom, den nya forskningen visar att systematiska mätningar av den heta gasen runt galaxer är nödvändiga. Edwin Valentijn formulerar är som följer:"Som observationsastronomer, vi har nått den punkt där vi kan mäta den extra gravitationen runt galaxer mer exakt än vad vi kan mäta mängden synlig materia. Den kontraintuitiva slutsatsen är att vi först måste mäta närvaron av vanlig materia i form av het gas runt galaxer, innan framtida teleskop som Euclid äntligen kan lösa mysteriet med mörk materia."