Onderzoekers suggereren dat de dynamiek van sterrenstelsels en clusters verklaard kan worden via een aangepaste vorm van entropie, waardoor de noodzaak voor het hypothetische concept 'donkere materie' zou vervallen.
In een recent wetenschappelijk preprint is een nieuwe benadering gepresenteerd om een van de grootste mysteries in de moderne astrofysica op te lossen: de onverklaarbare rotatiesnelheden van sterrenstelsels en de massa van clusters. Waar de standaard kosmologische modellen uitgaan van de aanwezigheid van onzichtbare donkere materie om de waargenomen zwaartekrachtseffecten te verklaren, stellen auteurs S. Shamari en A. Sheykhi dat een herziening van de thermodynamische basis van zwaartekracht een accurater antwoord biedt.
De rol van Tsallis-entropie
De kern van het onderzoek, gepubliceerd via arxiv.org, richt zich op het concept van 'emergent gravity' (emergente zwaartekracht). In dit paradigma wordt zwaartekracht niet gezien als een fundamentele kracht, maar als een gevolg van entropische processen. De onderzoekers hebben verschillende modellen van aangepaste entropie onderzocht, waaronder de Barrow-, Kaniadakis-, en Rényi-entropieën.
Uit hun analyse blijkt echter dat specifiek de als enige formulering consistent is met de observationele data van zowel galactische rotatiecurven als de baryonische massa van clusters van sterrenstelsels. Deze vorm van entropie houdt rekening met non-extensieve effecten, wat betekent dat de totale entropie van een systeem niet simpelweg de som is van de entropie van zijn delen. Dit zou essentieel zijn om quantumgravitatie en fractale structuren in de ruimtetijd te integreren.
Van bolhopen tot superclusters
Om de robuustheid van hun theorie te testen, hebben de auteurs het model uitgebreid naar een volledige structurele hiërarchie. Ze pasten de Tsallis-gemodificeerde zwaartekracht toe op drie verschillende schalen:
1. Globulaire clusters (bolhopen)
2. Individuele sterrenstelsels
3. Galactische clusters
Een opvallende bevinding in de is dat de zogenaamde 'non-extensieve parameter' geen correlatie vertoont met macroscopische eigenschappen van deze systemen. Factoren zoals de totale massa, de straal, de temperatuur of de dichtheid van een cluster hebben geen invloed op deze parameter, wat suggereert dat het een fundamentele eigenschap van de zwaartekracht zelf is.
Een testbare voorspelling
De theorie biedt een concreet alternatief voor zowel het $\Lambda$CDM-model (het standaardmodel met koude donkere materie) als MOND (Modified Newtonian Dynamics). De onderzoekers voorspellen het bestaan van specifieke clusters van sterrenstelsels waarbij de parameter $\delta$ gelijk is aan 1. In dergelijke systemen zou de dynamiek volledig verklaard kunnen worden zonder dat er enige vorm van donkere materie aan te pas komt.
Volgens de auteurs van het zijn dergelijke systemen met $\delta = 1$ reeds waargenomen op de schaal van individuele sterrenstelsels en bolhopen. Het vinden van vergelijkbare clusters op grotere schaal zou dienen als een unieke observationele test om de Tsallis-zwaartekracht te onderscheiden van concurrerende theorieën.
Fundamentele implicaties
Naast de astronomische observaties raakt het onderzoek aan de theoretische fysica. De auteurs stellen dat de traditionele thermodynamische benadering van zwaartekracht tekortschiet omdat entropie daarin niet goed gedefinieerd is. Door over te stappen op non-extensieve statistiek ontstaat er een solide basis voor quantumverstrengeling, wat op zijn beurt een consistente definitie van verstrengelingsentropie mogelijk maakt.
De conclusie van de onderzoekers in de is dat het paradigma van entropische zwaartekracht onvermijdelijk gebaseerd moet zijn op Tsallis-entropie om consistent te blijven met de data over alle kosmische schalen heen. Hiermee wordt een theoretisch kader geschetst waarin de mysterieuze invloed van donkere materie wordt vervangen door een fundamentele eigenschap van de informatieoverdracht en entropie in het universum.