Nieuwe waarnemingen van de James Webb-ruimtetelescoop (JWST) blijven leiden tot opzienbarende inzichten over het vroege heelal. De resultaten lijken in tegenspraak met wat wetenschappers jarenlang dachten over het ontstaan van sterrenstelsels, zo blijkt uit onderzoek van de Amerikaanse Case Western Reserve University.
In het academische vakblad The Astrophysical Journal beschrijven sterrenkundigen hoe de eerste sterrenstelsels er heel anders uitzagen dan verwacht. Tot nu toe gingen wetenschappers ervan uit dat sterrenstelsels geleidelijk groeiden, als een sneeuwbal die steeds groter wordt. Kleine klompjes materie zouden langzaam samenklitten tot grotere structuren, geholpen door de zwaartekracht van zogeheten donkere materie – een mysterieuze vorm van materie die we niet kunnen zien, maar die essentieel is om te verklaren hoe sterrenstelsels kunnen bestaan.
Vroege sterrenstelsels zijn te groot
“De belangrijkste waarneming is dat vroege sterrenstelsels massiever zijn dan verwacht op basis van donkere materie. De verwachting was dat grote sterrenstelsels zoals de Melkweg zich geleidelijk vormden gedurende vele miljarden jaren door het samenklonteren en samensmelten van vele kleine protogalactische fragmenten. We hadden gehoopt dat proces direct te kunnen zien met JWST. In plaats daarvan zien we volledig gevormde sterrenstelsels – jonger, met sterren van een leeftijd die past bij de vorming in het heel vroege heelal, maar al samengevoegd tot eilanduniversums. Op het eerste gezicht falsifieert dit de voorspelling van het structuurvormingsparadigma voor donkere materie”, vertelt hoofdonderzoeker Stacy McGaugh aan Scientias.nl.
Werkt zwaartekracht anders?
De bevindingen sluiten daarentegen verrassend goed aan bij een alternatieve theorie: MOND (Modified Newtonian Dynamics). Deze theorie voorspelde al in 1998 dat sterrenstelsels zich veel sneller zouden vormen dan gedacht. Volgens MOND is er geen donkere materie nodig – in plaats daarvan werkt de zwaartekracht anders dan we denken. “Er zijn enkele sterrenstelsels waargenomen die bestaan uit sterren die al oud zijn voor die tijd in het heelal (zo’n 12 miljard jaar geleden, minder dan 2 miljard jaar na de oerknal, red.). Ze zijn massiever dan verwacht, maar ook klaar met het vormen van sterren. Dit wordt niet verwacht in simulaties met donkere materie, waarin sterrenstelsels nog steeds ontstaan uit protogalactische fragmenten en actief sterrenvormend zijn. Dit gebeurt wel op natuurlijke wijze in MOND, consistent met enkele van de meest voor de hand liggende modellen die jaren geleden zijn gebouwd”, zegt McGaugh.
“Een ander voorbeeld wordt geleverd door de waarneming van veel spiraalstelsels tot minstens roodverschuiving 6.” Roodverschuiving is een maat voor hoe ver sterrenstelsels van ons verwijderd zijn en hoe snel ze van ons af bewegen, veroorzaakt door de uitdijing van het heelal. Een roodverschuiving van 6 verwijst naar objecten die we zien zoals ze er ongeveer 12,7 miljard jaar geleden uitzagen, toen het heelal nog erg jong was—ongeveer 1,1 miljard jaar na de oerknal. “De oorspronkelijke voorspelling van donkere materie was dat zulke dingen pas bij een roodverschuiving van 1 (7,7 miljard jaar geleden, red.) zouden ontstaan. De doelpalen zijn wat dat betreft verplaatst, maar het is echt verrassend in termen van donkere materie: het vroege heelal zou een chaotische plek moeten zijn van veelvuldige samensmeltingen; in plaats daarvan zijn er ongerepte, ongestoorde spiralen”, stelt McGaugh.
Wat met algemene relativiteitstheorie?
Maar hoewel de waarnemingen overeen lijken te komen met MOND, is er één groot probleem met de theorie, namelijk dat het moeilijk is om die te verbinden met de algemene relativiteitstheorie. Ook McGaugh erkent dat. “De theorie die tot nu toe het dichtst in de buurt komt is de Aether-Scalar-Tensor-theorie van Skordis & Zlosnik. Of die alle tests doorstaat, of slechts een volgende stap is op een lange weg naar een completere theorie, vereist veel onderzoek. Ik wil wel opmerken dat als het op kosmologie aankomt, wetenschappers terughoudend zijn om mogelijkheden voorbij algemene relativiteit te overwegen (zelfs als ze donkere materie en donkere energie moeten aanroepen om het te redden). Maar als het op diepere theorie aankomt, erkent iedereen dat algemene relativiteit niet het laatste woord kan zijn zonder een kwantumtheorie van de zwaartekracht. Dus het overwegen van aanpassingen aan de algemene relativiteitstheorie zijn tegelijkertijd afgeschreven en noodzakelijk.”
Een grote hindernis waar wetenschappers tegenaan lopen, is het loslaten van een gevestigd paradigma zoals donkere materie, zegt McGaugh. “Voordat we daartoe bereid zijn, moeten we ervan overtuigd zijn dat het niet klopt. Maar hoe weten we wanneer het onmogelijk is om onzichtbare massa te vinden omdat het er niet is, in plaats van dat het alleen maar moeilijk te detecteren is? Ik heb manieren voorgesteld waarop je dit zou kunnen doen, maar uiteindelijk is het aan elke wetenschapper om zijn of haar eigen criteria te bepalen. Maar ze moeten wel criteria stellen, want het is geen wetenschap als het niet kan worden gefalsificeerd. Verder heb ik nog geen van de uitgesproken voorstanders van donkere materie antwoord zien geven op een vraag die ik al jaren stel: als het donkere materie is in plaats van MOND, waarom heeft MOND dan zoveel voorspellende successen? Soms kunnen we deze verrassende waarnemingen (zoals die van JWST) verklaren met donkere materie, maar zelden zijn ze bevredigend. Los daarvan, waarom voorspelde MOND nauwkeurig wat we zien terwijl donkere materie dat niet deed?”, concludeert de wetenschapper.
