donkere materie donkere energie
25 - 29 juni 2001
Congres
WAAR IS DE MATERIE?
Tijdens de week van 25 tot 29 juni 2001 vond in Marseille een internationaal congres plaats met twee honderd deelnemers, waarvan honderd veertig sprekers, met als thema "Waar is de materie?". Daarnaast was er een ondertitel:
Het traceren van heldere en donkere materie met de nieuwe generatie grote schaal onderzoeken
Vertaling:
Kaartlegging van zichtbare materie en donkere materie met behulp van de nieuwe generatie grote schaal observaties.
Deze woorden hebben grote betekenis. Ze plaatsen het congres direct binnen een paradigma. Er wordt ervan uitgegaan dat het universum één is en twee inhoud heeft: één die toegankelijk is voor onze waarnemingsmiddelen (in het zichtbare, ultraviolet, infrarood, kortom waar observaties gebaseerd zijn op elektromagnetische golven) en een andere die momenteel buiten deze vorm van onderzoek valt en wordt omschreven onder de algemene term "donkere materie", Engels "Dark Matter". Hoe kunnen we waarnemen, hoe kunnen we deze donkere materie kaartleggen? Enerzijds door gebruik te maken van gravitationele lensing-effecten, die in de regel veel te groot zijn om alleen verklaard te worden door aanwezigheid van zichtbare materie, of het nu gaat om sterrenstelsels of cluster van sterrenstelsels, anderzijds door uitgangspunt te nemen van de kinetische parameters van waargenomen objecten.
Al voor het moment dat deze "anomaliefel grote" gravitationele lensing-effecten werden geïdentificeerd, hadden mensen zoals Fritz Zwicky, op basis van analyse van rotatiecurves van sterrenstelsels of metingen van de bewegingsenergie van sterrenstelsels in clusters, al geconcludeerd dat de optisch waargenomen materie niet voldoende was om deze structuren bij elkaar te houden. Met rotatiecurves wordt bedoeld de meting van het interstellaire gas dat in het algemene zwaartekrachtsveld draait, gemeten via het Doppler-Fizeau-effect. Dit gas draaide duidelijk te snel, vooral aan de randen (aanwezigheid van een kenmerkend "plateau"). Sterrenstelselclusters worden vergeleken met "gasklontjes" waarin de sterrenstelsels als "moleculen" fungeren. De "eigen snelheden" van sterrenstelsels, zoals astronomen die noemen, zijn het equivalent van de thermische bewegingsenergie van moleculen in een gas, willekeurig verdeeld in alle richtingen. Houdend deze gas-analogie vast, leidt de combinatie van "thermische beweging" en dichtheid tot wat men druk noemt (een maat voor de kinetische energiedichtheid van beweging, per volume-eenheid). Een wolk van interstellaire gas verspreidt zich niet, omdat de zwaartekracht de drukkrachten die het willen verspreiden in evenwicht houdt. Als men een cluster van duizend sterrenstelsels vergelijkt met een soort gasklontje, kan men ook zeggen dat de drukkrachten die het willen verspreiden, berekend op basis van de bewegingsenergie van de sterrenstelsels en de gemeten massa, te groot zijn om door de zwaartekracht in evenwicht te worden gehouden. Andersom gezien: kent men de massa van een cluster, dan kan men de ontsnappingssnelheid berekenen. Zoals Zwicky opmerkte, overschrijden de individuele snelheden van sterrenstelsels de ontsnappingssnelheid van de cluster waar ze toe behoren. Zonder een extra kracht zouden deze sterrenstelsels al lang uit de cluster zijn verdwenen. Hetzelfde geldt voor sterren binnen sterrenstelsels. Het probleem is dus echt. De vraag ligt in de interpretatie van dit fenomeen.
De unanieme reactie van astronomen draagt momenteel een naam: "donkere materie", hoewel niemand in staat is geweest om aan te geven wat de aard van deze "dark matter" zou kunnen zijn. Maar niemand heeft ooit enige twijfel geuit over het feit dat de waargenomen effecten niet kunnen voortkomen uit iets anders dan een nog niet waargenomen component met positieve massa, rustig gelegen in ons (enige) universum. In dit kader zijn de werkzaamheden op het gebied van "kaartlegging van het onzichtbare" al begonnen. Aanvankelijk beperkten mensen zich tot het zeggen: "In deze sterrenstelselcluster moet een bepaalde massa M aanwezig zijn om te voorkomen dat de cluster explodeert, of, wat neerkomt op hetzelfde, om de sterke gravitationele lensing-effecten te verklaren die deze cluster veroorzaakt (meervoudige afbeeldingen, achtergrondobjecten vervormd, met een vervorming die tot een uitrekking in boogvorm kan leiden)." Vervolgens voegden astrofysici zoals Albert Bosma van het laboratorium voor Astrofysica van Marseille, waar ik zelf werk, empirisch "halo's" van donkere materie, van onbepaalde aard, toe, om de rotatiecurves te "passen", een anglicisme dat verwijst naar het empirisch terugvinden van snelheidswetten die overeenkomen met de waargenomen waarden. Een aantal mensen werkt nu volledig aan het berekenen van de verdeling van materie in deze onzichtbare donkere materie-halo's. Dit wordt "theorie op nulde orde" genoemd. Deze activiteit, die geen specifieke competentie vereist, is puur technisch. De mensen die zich ermee bezighouden zoeken niet naar indicaties over de aard van deze "donkere materie" die ze empirisch kaartleggen, laat staan over de processen die zijn verantwoordelijk voor haar aanwezigheid in sterrenstelsels. Aangezien men noch de aard, noch de oorsprong van dit component kent, is het uiteraard uitgesloten om een "galactische dynamica" op te bouwen. Op het genoemde congres hoorde ik een Amerikaanse een overzicht geven van modellen waarin geprobeerd wordt de vorming van sterrenstelsels te beschrijven (vanuit koude donkere materie, Engels "cold dark matter" of "CDM"). Alle modellen berusten natuurlijk alleen op Newtons wet (plus een enorm computerprogramma dat alles uitrekent). Ze zijn weinig overtuigend omdat, ongeacht de beginwaarden die worden ingevoerd, de gevormde "proto-sterrenstelsels" veel te weinig hoekmoment hebben. Zo werd één van de vragen van deze "nieuwe theoretici" (Newton + grote computer) "waar komt het hoekmoment van sterrenstelsels vandaan?" We zijn duidelijk op het niveau van "theorie op nulde orde", of het nu gaat om kaartlegging of simulaties.
Sinds 1999 hebben astrofysici zoals Yannick Mellier en Fort, gevolgd door een halve dozijn teams over de hele wereld, het resultaat gepubliceerd van zes jaar werk, overeenkomstig een uitgebreid programma. Als donkere materie aanwezig zou zijn in het universum, met name in sterrenstelselclusters, zou dit gravitationele lensing-effecten veroorzaken. Uiterst gezien leiden deze effecten tot bijna kaleidoscopische afbeeldingen, zoals de Hubble-telescoop ons heeft laten zien, waarbij objecten achter een cluster uiteenbarsten in meerdere afbeeldingen, mogelijk met één of meer gravitationele boogvormige vervormingen. Dan begrijpt men dat wanneer de veronderstelde concentraties van donkere materie minder groot zijn, ze alleen maar vervormingen veroorzaken in de afbeeldingen van sterrenstelsels, waardoor hun afbeelding een extra ellipticiteit krijgen, door eenvoudig optische effecten, die zich dan bovenop hun echte ellipticiteit voegen. Mellier, Fort en degenen die hen daarna volgden, hebben een methode ontwikkeld voor beeldverwerking waarbij de computer lokale anisotropieën in afbeeldingen detecteert (uitgaande van de hypothese dat zonder gravitationele lensing-effecten de lange assen van elliptische sterrenstelselafbeeldingen willekeurig verdeeld zouden zijn). Vervolgens kan deze methode gebruikt worden om de verdeling (3D) van de veronderstelde donkere materie te reconstrueren die dergelijke afbeeldingen zou kunnen veroorzaken. In 1999 maakten Mellier en Fort sensatie door een kleurenafbeelding in perspectief te publiceren, die de verdeling van donkere materie in een deel van het universum toont, overeenkomstig een gebied van enkele vierkante graden aan de hemel.
De afbeelding werd gepubliceerd in Le Monde en de auteur van het artikel, journalist Jean-François Augereau, gaf het titel: "Donkere materie bestaat, want ze buigt lichtstralen af". Link naar dit artikel. Alles leek op dat moment erg indrukwekkend, het begin van een "kaartlegging van het onzichtbare". Maar een jaar later gaf Fort (directeur van het Institut d'Astrophysique de Paris, waar ook Yannick Mellier werkt) een interview aan de tijdschrift Ciel et Espace (juni 2000), waarin hij enkele problemen noemde die tot dan toe onopgemerkt waren gebleven. De methode had onze twee onderzoekers ertoe gebracht om twee bijzonder belangrijke concentraties van donkere materie te lokaliseren (5 × 10¹⁴ zonsmassa's, equivalent aan duizend sterrenstelsels, een massa vergelijkbaar met die van de grootste bekende clusters: het cluster van de Vrouw of het Coma-cluster). Maar, verwarrend genoeg, leken deze regio's van de hemel opmerkelijk leeg:
Dergelijke resultaten waren uiteraard zeer hinderlijk en in eerste instantie lieten de twee auteurs ze gewoon buiten beschouwing, hopend dat het een artefact zou zijn of een nieuw type cluster dat uitstraalt in specifieke frequenties. Er werden dus nieuwe observaties uitgevoerd in het UV- of infraroodgebied, die niets opvielen. Uiteindelijk noemden Fort en Mellier deze objecten "donkere clusters", waarbij zij benadrukten dat het mogelijk om clusters zou kunnen gaan die exclusief bestaan uit exotische materie, een bijzondere vorm van materie die, ondanks de zwaartekrachtonderlinge instabiliteit, alleen materie van hetzelfde type zou kunnen aantrekken. In zijn interview van 2000 zei Fort dat hij moeite had te geloven dat een dergelijk potentiaalgebergte geen sterrenstelsels, gas of andere objecten die elektromagnetische golven uitstralen, had aangetrokken. Hieronder de afbeelding van het interviewextract van Fort.
Als deelnemer aan dit congres van juni 2001 en met een presentatie ("Twin matter tegenover donkere materie") was ik dus erg nieuwsgierig naar het optreden van Mellier tijdens deze bijeenkomst. Hij begon met te verklaaren dat hij volkomen vertrouwen had in de geldigheid van zijn dataverwerkingsmethode. Op dat moment toonde hij op het scherm de 3D-kaart die hem in 1999 een volle pagina in Le Monde opleverde, bevestigde de identificatie van zijn twee "donkere clusters" en voegde eraan toe dat hij sindsdien nog een derde object van hetzelfde type had ontdekt, even massief. Toen ik hem vroeg over deze objecten gaf hij me in het openbaar het volgende antwoord:
- Persoonlijk geloof ik niet in deze donkere clusters....
Het was onmogelijk om meer te weten te komen en ik moet bekennen dat dit antwoord me zeer verward liet. Ofwel is zijn methode vatbaar voor fouten die tot nu toe onopgemerkt zijn gebleven, en kan het artefacten veroorzaken (die zouden overeenkomen met deze uiterst verwarrende objecten), ofwel is de methode betrouwbaar en stelt het bestaan van deze drie objecten een uiterst verontrustende vraag die niet met een dergelijke pirouette kan worden beantwoord. Voeg daar nog aan toe dat sinds de lancering van een telescoop die waarnemingen uitvoert in het röntgenbereik is gebleken dat clusters zeer belangrijke bronnen zijn met energie rond de 10 keV. Door dit straling toe te schrijven aan heet waterstof, komt dit overeen met een temperatuur van ongeveer honderd miljoen graden, wat overeenkomt met een thermische bewegingssnelheid van 1400 km/s.
Volgens Mellier stralen zijn donkere clusters ook geen röntgenstraling uit.
De verklaring voor dit gedrag kan worden gevonden door gewoon de ondertitel van dit congres opnieuw te lezen, die geen ruimte laat voor een andere interpretatie dan die van de donkere materie. Dit gedrag is geen uitzondering in de wereld van de moderne astronomie en astrofysica. Geef een voorbeeld. De beroemde wet van Hubble, volgens welke het roodverschuiving recht evenredig is met de afstand van de bron, is al lang een soort dogma geworden. Alle bronnen moeten zich hieraan onderwerpen en die per ongeluk niet doen, worden "uitgesloten". Men weet dat Halton Arp, een ware belemmeraar van het zoeken in cirkels, vele "anormale roodverschuivingen" identificeerde. Aangezien hij duidelijk niet wilde meewerken en erkennen dat deze afbeeldingen "afwijkingen" waren die slechts fouten in observatie waren, werd hij uiteindelijk verboden om te observeren door zijn collega's (dezelfde mensen die "observatietijd" uitdelen) en naar New York verplaatst. Als er een congres zou plaatsvinden over dit onderwerp, zou het alleen kunnen gaan over "surveys" met als doel een betere definitie van de "Hubble-constante". Elk werk dat een anisotropie in de roodverschuiving, of een significante afwijking van de beroemde wet voor verschillende objectgroepen, of quasi-periodieke fluctuaties in een bepaalde richting zou tonen, zou worden beschouwd als een zorgwekkend afwijkend werk, of simpelweg als "buiten onderwerp".
Toen ik besloot een presentatie te geven op dit congres, ontving mijn collega Evangelina Athanassoula, onderzoeker bij het CNRS en net als ik gevestigd in het observatorium van Marseille, deze nieuwe met een verwarring, achtend mijn werk "buiten onderwerp". Dat is inderdaad een manier om de dingen te zien, maar ik vind het vrij onwetenschappelijk (zoals de opmerking van Yannick Mellier over zijn eigen werk!). Het zal dan ook niet verbazen dat de werken die ik toegelaten was te presenteren op dit congres weinig belangstelling of kritiek opleverden: ze waren gewoon "buiten onderwerp". Dinsdag 26 juni 2001 had ik 40 kopieën van de "lange versie" van mijn presentatie (43 pagina's) en 30 exemplaren van een beknopte versie (16 pagina's). Ik besloot opnieuw aan te vallen, ging naar de zaal waar het congres plaatsvond en legde deze zeventig documenten op de tafels, met de opmerking in rode potlood op de omslag: "neem me, lees me". Allemaal verdwenen in de rugzakken van de deelnemers. Ik vond er geen één op de grond of in een prullenbak. Ondanks deze nieuwe poging om een gesprek te beginnen, nam geen enkele van de 200 deelnemers contact met mij op. In de dagen daarna vielen mijn interventies tijdens de sessies volledig tegen. Laat ons dat even bekijken. Een spreker had zojuist een "survey" gemaakt over het algemene probleem van gravitationele lensing, voordat zijn collega's (waaronder Mellier) hun meest recente resultaten presenteerden. Dialoog:
- *Er wordt steeds vaker gesproken over de mogelijke aanwezigheid in ons universum van een component met negatieve energie, afstotend vanuit het perspectief van de zwaartekracht. Heeft u de effecten van gravitationele lensing overwogen die zouden ontstaan door concentraties van dergelijke deeltjes? Dan zou er sprake zijn van een "negatieve lensing". Persoonlijk heb ik dit soort fenomeen beschreven in een artikel uit 1995 in Astrophysics and Space Science. * - In dat geval zou het een leemte zijn in een homogene verdeling van materie met positieve energie.
- Nee, daar heb ik het niet over. Het gaat om het overwegen van effecten veroorzaakt door objecten met negatieve energie.
- Dus leemtes in materie met positieve energie....
Einde van het gesprek, met een zaal die volledig onverschillig was tegenover het probleem. Ik zei tenslotte tegen de deelnemers:
- We zijn in juni 2001. De analyse van gravitationele lensing-effecten en de daaruit voortvloeiende kaartlegging leiden tot onbegrijpelijke objecten: de "donkere clusters". De dynamica van sterrenstelsels dwingt ons om te concluderen dat de meerderheid van hun massa in de vorm van een halo van donkere materie zit, die niemand kan detecteren en waarvan niemand de samenstelling of oorsprong kan aangeven. Alle pogingen om deze donkere materie te identificeren zijn de afgelopen tien jaar mislukt. Een vergelijkbaar fenomeen treedt op bij sterrenstelselclusters, waar het verhouding van niet-observabele materie tot zichtbare materie honderd bedraagt. Astronomen voorspellen ons het bestaan van zwarte gaten van een miljoen zonsmassa's in het centrum van elk sterrenstelsel, en niemand ziet ze. Tijdens dit congres hebben we collega's gezien die steeds verfijndere afbeeldingen tonen, beschrijvend de Very Large Structure (VLS), de grote schaalstructuur van het universum. Duidelijk wordt de "zeepbel"-afbeelding jaar na jaar bevestigd. Toch hebben we gezien dat de meest geavanceerde numerieke simulaties, gebaseerd op CDM (Cold Dark Matter of koude donkere materie), een filamentair universum produceren dat niets gemeen heeft met de waarnemingen. Hieronder een recente afbeelding, gepresenteerd tijdens het congres.
Toch hebt u gezien de afbeeldingen die wij al acht jaar hebben geproduceerd:
en die, in tegenstelling tot de simulaties, overeenkomen met de waarnemingen:
Hoe komt het dat het absoluut onmogelijk is om een gesprek te voeren tussen deze twee stromingen van ideeën?
Stilte.
Op hetzelfde moment (juni 2001) vond in Blois een congres plaats waar theoretische fysici zich afvroegen over de aard van een nieuw kosmisch component, dat door één van hen "donkere energie" werd genoemd. Volgens sommigen zou deze mysterieuze stof, die de eigenschap heeft om materie af te stoten via een kracht die "antigravitatie" wordt genoemd, ongeveer 65% van het kosmische inhoud uitmaken. Waarom "antigravitatie"? Omdat een accumulatie van observaties op supernova's met grote roodverschuiving lijkt te bevestigen dat de kosmische expansie laat in de tijd versnelt. Dit object heeft meerdere namen gekregen. Merk op dat tegenwoordig, aangezien wetenschappers het niet kunnen bewijzen, of het nu experimenteel of observatorisch is, geen enkel bewijs kunnen leveren voor hun onderzoeksonderwerp, ze... veel etiketten produceren. Een van de voorgestelde namen is:
Quintessentie
Dit woord is significatief. In feite is "quintessentie" de "vijfde essentie", het "vijfde element". Het woord is ontleend aan de alchemie, die gebaseerd was op een beschrijving van materie volgens vier elementen: water, vuur, lucht, aarde. Hier is dus het vijfde. Onze theoretische natuurkunde lijkt terug te zijn gegaan naar het Midden-Age. Maar dat is niets bijzonders. In een tijd waarin het obscurantisme zich uitbreidt, waar men echt niet meer weet wat wat is, sluiten wetenschappers zich samen achter verschillende vlaggen. Die van de astrofysici heet "donkere materie", terwijl theoretische fysici alleen nog maar geloven in superkoorden. Het is dan ook niet verwonderlijk dat hedendaagse wetenschappelijke congressen lijken op bijeenkomsten van theologen, verzameld rond systemen van overtuigingen.
De tekst van onze presentatie op het internationale congres "Where is the Matter?".