Astronomen hebben een fundamentele impasse bereikt in hun begrip van het heelal: ze zijn het er niet over eens hoe snel het uit elkaar vliegt. En tenzij er een redelijke verklaring kan worden gevonden voor hun verschillende schattingen, zijn ze wellicht gedwongen hun ideeën over tijd en ruimte volledig te heroverwegen. Volgens velen kan alleen nieuwe fysica dit kosmische raadsel verklaren.
“Vijf jaar geleden maakte niemand zich in de kosmologie echt zorgen over de vraag hoe snel het heelal uitdijde. We beschouwden het als vanzelfsprekend,” zegt astrofysicus Daniel Mortlock van het Imperial College in Londen. “Nu moeten we ons veel hoofd krabben – en veel onderzoek doen.”
Dit standpunt wordt gesteund door de Amerikaanse astrofysicus en Nobelprijswinnaar Adam Riess, van de Johns Hopkins University. “Ik denk dat deze kwestie een groot probleem is geworden. We begonnen het heelal steeds beter te begrijpen, maar hoe beter we gingen kijken, hoe meer we ontdekten dat er allemaal mysterieuze componenten waren.”
In de loop van de decennia hebben we onder meer donkere materie ontdekt – waarvan wordt aangenomen dat die bestaat uit nog niet ontdekte deeltjes – waarvan de extra zwaartekracht verklaart waarom sterrenstelsels niet uit elkaar vliegen. Daarnaast hebben astronomen ook het bestaan van donkere energie ontdekt, die de snelheid versnelt waarmee de kosmos uitdijt.
“Die twee ontdekkingen waren al opmerkelijk genoeg,” voegt Riess toe, die zijn Nobelprijs kreeg voor zijn betrokkenheid bij de ontdekking van donkere energie. “Maar nu worden we geconfronteerd met het feit dat er misschien nog een derde fenomeen is dat we over het hoofd hebben gezien – hoewel we nog niet echt een idee hebben wat dat zou kunnen zijn.”
Wetenschappers realiseerden zich voor het eerst dat het heelal uitdijt in de jaren twintig van de vorige eeuw, toen de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble ontdekte dat hoe groter de afstand tussen twee sterrenstelsels is, hoe sneller ze uit elkaar bewegen. Het blijft een van de belangrijkste wetenschappelijke ontdekkingen die ooit zijn gedaan.
Een manier om over dit fenomeen na te denken is door je een fruitbrood voor te stellen dat in een oven wordt gebakken. Naarmate het deeg rijst en uitzet, komen de rozijnen en sultana’s in het brood verder van elkaar af te staan. Het universum is als dat fruitbrood. Het dijt uit en zorgt ervoor dat de sterrenstelsels – de rozijnen en sultana’s die erin zijn ingebed – steeds sneller van elkaar af bewegen.
Maar als het heelal steeds groter wordt, blijft er één belangrijke vraag over: hoe snel dijt het heelal precies uit? Hoe snel vliegt de kosmos uit elkaar? Of preciezer: wat is de precieze waarde van de Hubble-constante, zoals de snelheid van de uitdijing van het heelal later werd genoemd? Het is een zeer belangrijke, veel gezochte waarde, omdat zij ons veel zal vertellen over het ontstaan, de ouderdom, de evolutie, en uiteindelijk het lot van de kosmos. Vandaar de moeite die astronomen zich de afgelopen eeuw hebben getroost om een precies antwoord te vinden.
Deze waarnemingen zijn echter gebaseerd op twee zeer verschillende benaderingen. De ene is gericht op het gedrag van sterrenstelsels in de buurt van ons eigen melkwegstelsel, de Melkweg, en houdt in dat wetenschappers – met toenemende nauwkeurigheid – uitzoeken hoe snel ze van elkaar weg bewegen. “Dat is de lokale benadering”, zegt Riess, wiens eigen werk zich heeft geconcentreerd op het perfectioneren van de meting van afstanden tussen sterrenstelsels in onze regio van het heelal. (Zie “De constante van Hubble en Henrietta Leavitt”, hieronder.)
Bij de andere methode om de Hubble-constante vast te stellen, hebben astronomen gekeken naar het golvende patroon van licht, de zogenaamde kosmische microgolfachtergrond, dat zich vlak na de oerknal, 13,8 miljard jaar na de geboorte van de kosmos, heeft gevormd. Deze achtergrond is met toenemende precisie onderzocht door Amerikaanse en Europese satellieten – het meest recent door het Planck observatorium van de Europese Ruimtevaartorganisatie – en deze waarnemingen hebben wetenschappers in staat gesteld een model op te stellen dat rekening houdt met donkere energie en donkere materie en dat laat zien hoe de groei van het vroege heelal waarschijnlijk een uitdijing zou hebben veroorzaakt die astronomen vandaag de dag kunnen meten.
En tot voor kort leverden deze twee verschillende benaderingen schattingen op die met elkaar in overeenstemming leken te zijn, hoewel er aan beide metingen aanzienlijke onzekerheden verbonden waren. “De beste gok van iedereen was dat het verschil tussen de twee schattingen gewoon toeval was, en dat de twee waarden naar elkaar toe zouden groeien naarmate er meer metingen werden gedaan,” zegt Mortlock. Met andere woorden, naarmate de twee waarden nauwkeuriger werden getest, zouden de verschillen verdwijnen.
Helaas voor de astronomen die een eenvoudige oplossing voor het probleem zochten, is dat niet gebeurd. “In feite is het tegenovergestelde gebeurd,” zegt Mortlock, die ook aan de Universiteit van Stockholm werkt. “De discrepantie is groter geworden. De schatting van de Hubble-constante die de laagste waarde had, is in de loop der jaren een beetje lager geworden en de schatting die een beetje hoger was, is nog groter geworden.”
Diegenen die tegenwoordig de gegevens van Planck en de kosmische achtergrond gebruiken om een waarde voor de Hubble-constante te krijgen, krijgen een getal van 67,4 plus of min 0,5. De lokale benadering daarentegen geeft een waarde van 73,5 plus of min 1,4. Deze waarden vertegenwoordigen de twee verschillende waarden die we hebben voor de uitdijing van het heelal. (Zie “Een kwestie van metriek”, hieronder.)
Het verschil klinkt misschien niet groot, maar het is wel significant. Volgens hen is er nu minder dan een kans van een op 100.000 dat dit verschil door toeval kan worden verklaard. “Dit zijn niet gewoon twee experimenten die het oneens zijn,” zegt Riess. “We meten iets fundamenteel anders. Het ene is een meting van hoe snel het heelal nu uitdijt, zoals wij dat zien. Het andere is een voorspelling gebaseerd op de fysica van het vroege heelal en op metingen van hoe snel het zou moeten uitdijen. En deze metingen zijn nu onafhankelijk van elkaar bevestigd door andere groepen, zodat de discrepantie niet afhangt van één instrument of één team.
“En als deze waarden niet overeenkomen, betekent dat dat er een zeer grote kans is dat we een factor in het kosmologische model missen die de twee tijdperken met elkaar verbindt.” Kortom, er lijkt iets te ontbreken in ons begrip van het heelal en de Hubble-constante is het brandpunt geworden van een fel betwiste strijd om de aard van deze onzichtbare invloed te ontdekken.
Om te beginnen heeft het verschil tussen de twee waarden gevolgen voor de leeftijd van het heelal, waarbij er in één geval meer dan een miljard jaar van het bestaan van het heelal wordt afgesnoept. “Een verandering van de Hubble-constante van 67,4 naar 73,5 zou betekenen dat het heelal sneller uit elkaar zou vliegen dan eerder werd aangenomen en dus jonger zou zijn dan de momenteel geaccepteerde leeftijd van 13,8 miljard jaar,” aldus Mortlock. “In feite zou dat neerkomen op 12,7 miljard jaar.”
En dat levert problemen op. Er zijn enkele zeer oude sterren in het heelal met een geschatte leeftijd van rond de 12 miljard jaar, en dat maakt een geherwaardeerde kosmische chronologie een beetje moeilijk te verteren. Het duurt tenslotte lang voordat sterren zijn gevormd.
Dat is echter niet het echte probleem, zegt Mortlock. “Het fundamentele probleem is dat twee verschillende cijfers voor de Hubble-constante, gemeten vanuit verschillende perspectieven, het kosmologische model dat we van het heelal hebben gemaakt, gewoon ongeldig zouden maken. We zouden dus niet kunnen zeggen wat de leeftijd van het heelal was totdat we onze natuurkunde op orde hadden.”
Door de onafhankelijke bevestigingen is Riess er steeds zekerder van geworden dat er een fundamentele discrepantie in het spel is, een discrepantie die niet te wijten is aan methodologische fouten of vergissingen in de waarnemingen, maar aan een eigenschap van ons universum waarvan wetenschappers tot nu toe geen flauw benul hadden. “Ik denk dat er iets interessants aan de hand is,” zegt hij. “
Maar als meetfouten niet langer kunnen worden beschouwd als een oorzaak van de verschillen in Hubble-constante-waarden, welke nieuwe concepten zouden deze discrepantie dan kunnen verklaren? Astronomen hebben al een aantal suggesties gedaan.
Eén idee stelt dat het heelal een nieuwe klasse subatomaire deeltjes bevat die zich dicht bij de lichtsnelheid bewegen. Deze entiteiten worden donkere straling genoemd en zouden ook reeds bekende deeltjes zoals neutrino’s kunnen omvatten. Deze zouden van invloed zijn op de snelheid waarmee het heelal uitdijt.
Een ander idee is dat er niet lang na de oerknal een speciale, intense episode van donkere energie heeft plaatsgevonden, waardoor het heelal sneller uitdijde dan astronomen tot nu toe hadden aangenomen.
En tenslotte is er de mogelijkheid dat de deeltjes waaruit donkere materie bestaat, sterker met normale materie interageren dan tot nu toe werd aangenomen. Ook dit zou van invloed zijn op de Hubble-constante.
Niet iedere wetenschapper is in de wolken met het vooruitzicht dat een van deze voorstellen het antwoord is op hun meetkwestie en hoopt nog steeds dat het uiteindelijk mogelijk zal zijn de twee waarden die zij voor de Hubble-constante krijgen met elkaar in overeenstemming te brengen. Dit punt wordt benadrukt door Mortlock. “We hebben al ontdekt dat ons universum wordt gedomineerd door donkere materie en donkere energie, waarvan we de effecten kunnen waarnemen, maar waarvan de fundamentele aard een mysterie is. Het zijn twee enorme vraagtekens die nu al boven ons begrip van de kosmos hangen. Persoonlijk voel ik niet de noodzaak van een derde.”
Riess van zijn kant ziet het iets optimistischer. “Wij zijn niet gemaakt van donkere materie of donkere energie, maar we hebben hun bestaan ontdekt, ook al maken ze intuïtief geen deel uit van onze ervaring van het leven op aarde. Dat suggereert dat we op de goede weg zijn om het heelal te begrijpen – al kan het zijn dat we nog minstens één stap te zetten hebben.”
Hubble’s constante en Henrietta Leavitt
Steren die bekend staan als cepheïden hebben een cruciale rol gespeeld in ons begrip van de uitdijing van het heelal. Deze sterren, die relatief vaak voorkomen, variëren in helderheid over perioden van dagen of weken. In 1908 ontdekte Henrietta Leavitt dat er een verband bestond tussen de helderheid van een cepheïde ster en de tijd die nodig was om een volledige cyclus van verandering in zijn helderheid te doorlopen.
Door de periode van een cepheïde variabele te meten, werd het mogelijk de ware helderheid ervan te berekenen. Door deze te vergelijken met de schijnbare helderheid, konden astronomen de afstand van de ster berekenen – en het sterrenstelsel waarin hij zich bevindt. Hubble gebruikte dit inzicht in zijn werk om kosmologische afstanden te ijken, en cepheïden leveren vandaag de dag nog steeds de belangrijkste ijking voor astronomische afstanden voor de lokale methode om de Hubble-constante te berekenen.
Een kwestie van metriek
Een Hubble-constante van 70 zou betekenen dat het heelal uitdijt met een snelheid van 70 kilometer per seconde per megaparsec. Om te begrijpen wat dit betekent, moet je eerst beseffen dat een parsec een maat is voor de astronomische afstand en dat een megaparsec gelijk is aan een miljoen parsecs. Een parsec heeft een lengte van 3,3 lichtjaar, dus een megaparsec is het equivalent van 3,3 m lichtjaar. Dus voor elke 3,3m lichtjaar dat een sterrenstelsel van ons verwijderd is, zal het zich een extra 70 kilometer per seconde sneller van ons verwijderen, als gevolg van de uitdijing van het heelal.
{{topLeft}}
{{{bottomLeft}}
{{topRight}}
{{bottomRight}}
{{/goalExceededMarkerPercentage}}
{{/ticker}}
{{heading}}
{#paragraphs}}
{{.}}
{{/paragraphs}}{{highlightedText}}
- Deel op Facebook
- Deel op Twitter
- Deel via Email
- Deel op LinkedIn
- Deel op Pinterest
- Deel op WhatsApp
- Deel op Messenger