Kan zwaartekracht bestaan zonder massa? Volgens astrofysicus Richard Lieu is het mogelijk. Dat zou het probleem van de nog altijd raadselachtige donkere materie oplossen.

Isaac Newton beschreef zwaartekracht in de 17e eeuw als een aantrekkingskracht tussen objecten met massa. Een appel valt naar beneden omdat de massa van de aarde eraan trekt (en omgekeerd). Later beschreef Albert Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie dat zwaartekracht het gevolg is van de kromming van de ruimtetijd. Ook die kromming ontstaat onder invloed van massa.

Zwaartekracht en massa lijken dus onlosmakelijk met elkaar verbonden. Of toch niet? Deze kracht kan ook bestaan zonder massa, zegt astrofysicus Richard Lieu van de Universiteit van Alabama in Huntsville in een wetenschappelijke publicatie. Dat zou bovendien het bestaan van donkere materie overbodig kunnen maken.

Toeval speelde een grote rol  bij veel spectaculaire  kosmische ontdekkingen
LEES OOK

Toeval speelde een grote rol bij veel spectaculaire kosmische ontdekkingen

Het heelal zit vol verrassingen. We moeten toevallige ontdekkingen in de wetenschap omarmen, zegt astrofysicus Chris Lintott.

Donkere materie

Donkere materie is een nog altijd onontdekt goedje waar ruim tachtig procent van de massa in het heelal uit lijkt te bestaan. Deze extra donkere massa is nodig omdat de bekende, zichtbare massa niet genoeg zwaartekracht uitoefent om sterrenstelsels en sterrenstelselclusters bij elkaar te houden.

Natuurkundigen zoeken al decennialang naar donkere materie. Tot nu toe is die zoektocht tevergeefs. Daardoor gaan wetenschappers op zoek naar andere verklaringen. Sommigen stellen voor dat de zwaartekrachtwetten van Einstein op grote schaal niet kloppen en aangepast moeten worden.

Lieu biedt een ander alternatief. Hij gooit de wiskundige vergelijkingen van Einstein niet overboord, maar liet zich erdoor inspireren. Hij stelde een versimpelde versie ervan op die een ruimtetijdkrommende zwaartekracht toestaat zonder massa. Hij zegt over zijn voorstel dat het ‘gedreven wordt door mijn frustratie over de status quo, namelijk de notie van het bestaan van donkere materie ondanks het ontbreken van enig direct bewijs.’

Negatieve massa

Het voorstel van Lieu leunt op twee concepten: topologische defecten en negatieve massa. Negatieve massa is het tegenovergestelde van gewone, positieve massa, net zoals negatieve en positieve lading elkaars tegenpool zijn. Zou je een bal met negatieve massa een duw geven, dan beweegt hij naar je toe in plaats van van je af. Het bestaan van negatieve massa is nooit aangetoond, maar het duikt vaker op in natuurkundige theorieën.

Topologische defecten zijn kleine foutjes die met name ontstaan bij faseveranderingen, bijvoorbeeld als een vloeistof verandert in een vaste stof. In het heelal hebben ook faseveranderingen plaatsgevonden, bijvoorbeeld kort na de oerknal, toen er atomen ontstonden uit de hete plasmasoep die daarvoor de ruimte vulde.

Volgens Lieu zouden tijdens een faseverandering topologische defecten in de de vorm van een reeks bolvormige schillen ontstaan kunnen zijn bij gebieden met massa, waar later sterrenstelsels en clusters zouden vormen. Het zou gaan om een reeks van concentrische schillen die naar buiten toe steeds groter worden, zoals de kringen die ontstaan als je een steentje in een vijver gooit.

Schillen

‘De schillen bestaan uit een dunne binnenlaag van positieve massa en een dunne buitenlaag van negatieve massa. De totale massa van beide lagen – en dat is alles wat je zou kunnen meten, qua massa – is precies nul’, zegt Lieu. ‘Maar als een ster op deze schil ligt, ondervindt hij een grote zwaartekracht die hem naar het centrum van de schil trekt.’ Daardoor lijkt het alsof er extra massa moet zijn, in de vorm van donkere materie.

Lieu erkent dat zijn idee nog ‘erg suggestief’ is. Het zal het bestaan van donkere materie nog niet zomaar ontkrachten. Ook is het nog niet duidelijk hoe zijn theorie getest kan worden. Maar, zegt hij, ‘het is het eerste bewijs dat zwaartekracht kan bestaan zonder massa.’