Neutronensterren kunnen de beste manier zijn om donkere energie te meten
Donkere energie staat centraal in onze moderne theorie van de kosmologie. We weten dat het universum zich steeds sneller uitbreidt, en de duidelijkste verklaring is dat het wordt aangedreven door een soort energie. Omdat deze energie geen licht uitstraalt, noemen we het donkere energie. Maar het geven van een naam aan donkere energie betekent niet dat we het volledig begrijpen. We kunnen zien wat donkere energie doet, maar de fundamentele aard ervan is misschien wel het grootste wetenschappelijke mysterie dat we hebben.
Bij de foto: Artistieke impresie van een fusie van binaire neutronensterren. Afbeelding: Krediet: NSF/LIGO/Sonoma State University/A. Simonnet
Het meest populaire idee voor donkere energie is dat het een aspect is van de ruimtetijd zelf. Binnen de algemene relativiteitstheorie van Einstein is het mogelijk om een term op te nemen die bekend staat als de kosmologische constante. Hoewel het universum zou kunnen uitdijen zonder een kosmologische constante, heeft het de constante nodig om die uitdijing te versnellen terwijl we waarnemen. Dat wil zeggen, in het kader van de algemene relativiteitstheorie.
Maar hoewel de kosmologische constante heel goed overeenkomt met de waarnemingen, is het idee niet zonder problemen. Een probleem dat steeds weer terugkomt in de gegevens, is het feit dat we de waarde ervan niet kunnen vaststellen. Wanneer we proberen de constante te meten met behulp van verschillende methoden, krijgen we iets andere waarden. Vroeger was de onzekerheid van die waarden groot genoeg om dit probleem over het hoofd te zien, maar onze waarnemingen zijn nauwkeurig genoeg geworden en het is duidelijk dat ze niet kloppen. Of er zit een systematische fout in onze waarnemingen die we niet hebben vastgesteld, of de kosmologische constante werkt niet helemaal. Als dat waar is, dan klopt de algemene relativiteitstheorie niet helemaal.
Dus wat is het alternatief?
Een van de meest populaire hiervan staat bekend als de Brans-Dicke-theorie, of Jordan-Brans-Dicke-theorie, of Fierz-Jordan-Brans-Dicke-theorie, afhankelijk van hoeveel mensen je met het idee wilt crediteren. Deze theorie lijkt erg op het model van Einstein, in die zin dat in beide modellen ruimtetijd en materie de speciale relativiteitstheorie gehoorzamen, ruimtetijd wordt beschreven door een tensorveld dat bekend staat als een metriek, en het equivalentieprincipe geldt. Kortom, elke oplossing voor de algemene relativiteitstheorie is ook een oplossing voor Brans-Dicke.
Bij de foto: In de algemene relativiteitstheorie is versnelling gelijk aan zwaartekracht. Afbeelding: Markus Poessel, via Wikipedia
De Jordan-Brans-Dicke-theorie werd gedeeltelijk voorgesteld om de algemene relativiteitstheorie weer beter in overeenstemming te brengen met het principe van Mach. Dus terwijl het model van Einstein de zwaartekracht volledig beschrijft via de ruimtetijd-metriek, voegt Jordan-Brans-Dicke een scalair veld toe aan de mix. De effecten van de zwaartekracht worden dan veroorzaakt door zowel het scalaire veld als de tensormetriek, daarom wordt het soms een scalar-tensormodel genoemd. Aangezien dit scalaire-tensormodel in zekere zin een generalisatie is van het model van Einstein, zou je beide modellen kunnen gebruiken om het waargenomen universum correct te beschrijven. Natuurlijk, als je geen extra scalair veld nodig hebt om de zwaartekracht te beschrijven, waarom zou je er dan een uitvinden? Vandaar dat de Jordan-Brans-Dicke-theorie niet erg populair is.
Tenzij je een alternatief wilt voor de kosmologische constante. Met een extra scalair veld heb je ineens een vrijheidsgraad die donkere energie zou kunnen verklaren. Tweak je scalaire veld op de juiste manier, en je kunt overeenkomen met de waarnemingen die we hebben van donkere energie. En aangezien het een veld is in plaats van een constante, kan donkere energie zowel in ruimte als in tijd variëren, wat zou verklaren waarom we het niet kunnen vastpinnen op een eenvoudige constante.
Het is een interessant idee, maar het zal alleen algemeen aanvaard worden als je een experiment kunt vinden dat aantoont dat Einstein ongelijk heeft en Jordan-Brans-Dicke gelijk. Veel succes ermee, gezien hoe vergelijkbaar de twee modellen zijn. Maar nu laat een recente studie zien hoe de Jordan-Brans-Dicke-theorie kan worden getest, en het gaat om de botsing van neutronensterren.
Bij de foto: Een scalair veld verbetert sommige zwaartekrachtsgolfmodi voor het samenvoegen van neutronensterren. Afbeelding: Bezares, et al
Het modelleren van botsingen met neutronensterren is moeilijk. De algemene relativiteitstheorie is een complexe wiskundige theorie, dus het kost enorm veel rekenkracht om botsingen te modelleren. De Jordan-Brans-Dicke-theorie is nog complexer, wat het simuleren van botsingen veel moeilijker maakt. Maar het team was in staat om een simulatie te maken die werkt. Door neutronensterbotsingen in de Jordan-Brans-Dicke-theorie te vergelijken met de algemene relativiteitstheorie, ontdekten ze dat er belangrijke verschillen zijn in de zwaartekrachtsgolfsignalen. Deze verschillen zijn te klein om met de huidige zwaartekrachtgolftelescopen waar te nemen, maar de volgende generatie observatoria moet de modellen kunnen onderscheiden.
Zoals het er nu uitziet, komen zowel de algemene relativiteitstheorie als de Jordan-Brans-Dicke-theorie even goed overeen met onze waarnemingen. De belangrijkste reden waarom de algemene relativiteitstheorie populairder is, is dat het eenvoudiger en in sommige opzichten eleganter is. Maar eenvoudig en elegant maakt een model niet altijd goed.
Uiteindelijk zullen tijd en ruimte het ons vertellen.
Referentie: M. Bezares, et al. "Geen bewijs van kinetische screening in simulaties van het samenvoegen van binaire neutronensterren buiten de algemene relativiteitstheorie". Physical Review Letters 128.9 (2022): 091103. [arXiv pre-print]
