Hoewel Albert Einsteins gelijk steeds wordt bewezen, zijn er natuurkundigen die alternatieven opperen voor zijn algemene relativiteitstheorie. Christian Arnold testte zo’n alternatief.

Afgelopen zomer waren ze weer eens overal online te lezen: koppen als ‘Einstein had gelijk! Algemene relativiteitstheorie weet opnieuw test te doorstaan’. Deze keer was de theorie op de pijnbank gelegd door te kijken naar het superzware zwarte gat in het centrum van ons sterrenstelsel, de Melkweg. Dat bleek de beweging van een nabije ster precies te beïnvloeden volgens de regels die Einstein meer dan honderd jaar geleden bedacht om de zwaartekracht te beschrijven.

Je zou dan kunnen zeggen: nou, als die relativiteitstheorie zelfs prima klopt in de extreme omstandigheden in de buurt van een zwart gat, zal hij dus wel overal in het heelal opgaan. Maar dat hoeft niet zo te zijn. Misschien laten juist gebieden met heel weinig zwaartekracht zien dat Einsteins theorie niet het hele verhaal is. En misschien werpt dat wel nieuw licht op een van de grote open vragen uit de sterrenkunde: waarom dijt het heelal steeds sneller uit?

Afstotend vacuüm

Die versnelde uitdijing van het heelal is nog niet zo heel lang bekend: pas in 1998 ontdekten astronomen dat sterrenstelsels de afgelopen paar miljard jaar steeds sneller bij elkaar vandaan bewegen. Dat wordt doorgaans geweten aan de zogenoemde donkere energie: een verschijnsel dat alles in ons heelal – op grote schaal althans – uit elkaar drijft.

Op zich kun je dat prima een plek geven in de relativiteitstheorie. Die bevat namelijk een getalletje, de kosmologische constante, dat weergeeft hoe het vacuüm in ons heelal zich gedraagt. Decennialang dachten we dat dit getalletje simpelweg nul was; in dat geval heeft het vacuüm noch een aantrekkende, noch een afstotende werking.

Maar als je de kosmologische constante een positieve waarde geeft, krijgt het vacuüm een afstotende werking. Dat heeft tot gevolg dat de lege ruimte de sterrenstelsels in ons heelal uit elkaar duwt. En hoe verder die stelsels bij elkaar vandaan komen te liggen, hoe meer lege ruimte er tussen de stelsels ontstaat – waardoor de stelsels nóg verder bij elkaar vandaan worden geduwd. Versnelde uitdijing verklaard.

Tegenstrijdige effecten

Sommige wetenschappers zien daar echter weinig heil in. In plaats daarvan werken zij aan een verzameling alternatieven voor de algemene relativiteitstheorie, de zogenoemde kameleontheorieën.

Dit zijn theorieën die zich, net als een kameleon, aanpassen aan hun omgeving. In gebieden waar relatief veel materie te vinden is, zoals de binnenste regionen van de Melkweg en ons eigen zonnestelsel, is een kameleontheorie niet te onderscheiden van de algemene relativiteitstheorie. Mooi, want voor zulke gebieden werkt de relativiteitstheorie prima.

In de ijlere buitenwijken van de Melkweg doet een kameleontheorie zich echter wél gelden. Daar heeft hij twee ogenschijnlijk tegenstrijdige effecten. Ten eerste maakt hij de zwaartekracht sterker, waardoor sterren, planeten enzovoort elkaar harder aantrekken. Ten tweede kopieert hij het effect van de donkere energie, waardoor hij er op grotere schaal juist voor zorgt dat alles sneller bij elkaar vandaan beweegt.

Virtueel mini-heelal

Leuk bedacht, maar… Hoe komen we te weten of zo’n kameleontheorie daadwerkelijk ons heelal bestiert? Die vraag probeerde natuurkundige Christian Arnold samen met twee collega’s van de Britse Durham-universiteit te beantwoorden met een computersimulatie die laat zien hoe sterrenstelsels zich ontwikkelen in een virtueel mini-heelal.

Normaal gesproken gaat zo’n simulatie uit van de relativiteitstheorie, maar je kunt hem ook een kameleontheorie als uitgangspunt laten nemen. De hoop is dat er dan verschillen te zien zijn tussen die twee simulaties. In dat geval kun je namelijk gaan kijken waar het echte heelal meer op lijkt: op de relativiteitstheoriesimulatie of op de kameleonsimulatie.

Koude wolken

Het slechte nieuws is: alle verschillen tussen beide simulaties zijn te klein om ze te kunnen ontwaren met onze huidige telescopen. Het goede nieuws: binnen een paar jaar kan het misschien wel. Dan treedt namelijk de Square Kilometre Array (SKA) in werking, een enorme radiotelescoop die bestaat uit honderden schotels in Zuid-Afrika en meer dan honderdduizend antennes in Australië. En daarmee zijn wel degelijk waarnemingen te doen die anders zouden uitpakken als niet Einstein, maar een kameleon de scepter zwaait over ons heelal.

SKA zou zich dan moeten richten op de buitenste regionen van sterrenstelsels, waar de relativiteitstheorie en kameleontheorieën van elkaar afwijken. Arnold legt uit waar dat waarneembare verschil hem in zit: “Door de verhoogde zwaartekracht bij een kameleontheorie wordt de dichtheid van gaswolken hoger. Door die hogere dichtheid zijn deze wolken beter afgeschermd tegen ultraviolet licht dat ze kan verwarmen. Gevolg daarvan is dat de wolken kouder zijn dan je zou verwachten. In koude wolken ontstaan meer neutrale waterstofatomen dan in warme, en dat overschot aan neutrale waterstof zou je met SKA kunnen zien.”

Bij het grofvuil?

Nu is het natuurlijk niet zo dat Einsteins theorie gelijk bij het grofvuil kan als SKA straks inderdaad relatief veel waterstof ziet in de buitenste delen van sterrenstelsels. Zo’n waarneming zal ook op tal van andere manieren te verklaren zijn. Wel zal het een bemoedigend steuntje in de rug zijn voor aanhangers van kameleontheorieën. En als het heelal zich vervolgens ook op andere punten beter laat beschrijven met een van hun theorieën dan met die van Einstein… Tja, dan zou het zomaar kunnen dat ze iets op het spoor zijn.

Deze Far Out staat ook in KIJK 10/2019.

Bronnen: Nature Astronomy, Ars Technica

Beeld: iStock/Getty Images

Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!