Nieuwe observaties lijken erop te wijzen dat het universum in onze tijd veel sneller uitdijt dan in een ver verleden. Het verschil heeft wetenschappers ertoe gebracht opnieuw op zoek te gaan naar de mysterieuze kosmische krachten achter deze versnelling. Als de nieuwe versnellingswaarde – die negen procent hoger ligt dan werd voorspeld – juist blijkt te zijn, zullen astronomen een fundamenteel aspect van het universum moeten heroverwegen.
De uitkomst werd gepubliceerd in een nieuw rapport in het Astrophysical Journal en is de laatste ontwikkeling in een al decennia durend debat over de ‘constante van Hubble’, een cruciale maatstaf voor de ouderdom en expansie van het universum.
In de afgelopen jaren bleek uit talloze studies dat metingen van de Hubble-constante op basis van de kosmische achtergrondstraling (CMB, cosmic microwave background) – het zwakke nagloeien van het zeer vroege universum – niet overeenkwamen met schattingen op basis van veel jongere sterren, zoals die in onze Melkweg, zelfs niet als rekening werd gehouden met andere mysterieuze kosmische krachten, zoals de donkere energie die de expansie van het universum versnelt.
“De expansie van het universum gaat veel sneller dan al onze voorspellingen en dat is zeer raadselachtig,” zegt Adam Riess, astronoom aan de Johns Hopkins University en hoofdauteur van de nieuwe studie. In 2011 ontving Riess de Nobelprijs voor de natuurkunde, voor zijn bijdrage aan de ontdekking van donkere energie.
Sommigen hebben geopperd dat de discrepantie het gevolg is van onvolledige gegevens of van onopgemerkte fouten die de uitkomsten vervalsen. Maar op basis van nieuwe metingen van onze kosmische omgeving door de ruimtetelescoop Hubble stellen Riess en zijn collega’s niet alleen dat er wel degelijk een discrepantie is, maar dat die discrepantie zelfs nog veel groter is dan ooit werd gedacht.
In de nieuwe studie berekende het team van Riess de Hubble-constante op een waarde van 74,03 kilometer per seconde per megaparsec, met een foutmarge van 1,42 kilometer per seconde per megaparsec. Dat sluit niet aan op de beste schattingen van het Planck Observatory, de ruimtetelescoop van de ESA (European Space Agency) die tot dusver de meest nauwkeurige meting van de CMB heeft verricht. De Planck schatte de Hubble-constante op ongeveer 67,4 kilometer per seconde per megaparsec, met een foutmarge van 0,5 kilometer. Statistisch gezien komt de discrepantie tussen beide waarden neer op 4,4 sigma, oftewel een kans van slechts 1 op 100.000 dat het gemeten verschil een toevalstreffer is.
“Om een analogie te gebruiken: stel dat je bij een kind van twee jaar de lengte opmeet en daarna berekent hoe lang het zal zijn als het opgroeit. Daarna zou je kunnen wachten totdat het kind volgroeid is en het dan opnieuw opmeten,” zegt Riess. “Als het veel langer is dan in jouw berekening werd voorspeld, dan is dat een groot raadsel. Iets in ons inzicht in het groeiproces van het kind blijkt dus niet te kloppen.”
Het timen van de kosmos
Het berekenen van de Hubble-constante en daarmee de snelheid waarmee het universum uitdijt, wordt gebaseerd op de beweging van sterren. Daartoe zijn twee gegevens nodig: de afstand van een ster en de snelheid waarin een ster zich van ons af beweegt.
Om de relatieve snelheid van een ster te meten kijken astronomen naar periodieke veranderingen in de intensiteit van het licht dat een ster uitzendt. Om de afstand tot de ster te berekenen gebruiken astronomen meerdere methoden, van alledaagse geometrie tot de nauwkeurige observatie van sterren genaamd ‘veranderlijke Cepheïden’. De lichtkracht van deze sterren neemt met regelmatige tussenpozen toe en weer af, en de frequentie of periode van deze verandering staat in direct verband tot hun algehele helderheid: hoe helderder de ster, des te lager zijn frequentie.
Astronomen gebruiken deze regel als meetlat. Door de periodiciteit van een veranderlijke Cepheïde te meten kunnen ze achterhalen hoe helder de ster is, en door die absolute helderheid te vergelijken met zijn schijnbare helderheid die wij op aarde waarnemen, kunnen ze afleiden hoe ver de ster van ons verwijderd is. Metingen van Cepheïden kunnen gecombineerd worden met observaties van een bepaalde type om nog grotere afstanden in de kosmos te kunnen meten.
Astronomen hebben decennia gewerkt aan de opbouw van deze ‘kosmische afstandsladder’ en zijn voortdurend bezig om hem steeds nauwkeuriger te maken. Voor hun nieuwe onderzoek gebruikten Riess en zijn team de ruimtetelescoop Hubble om te kijken naar zeventig Cepheïden in de Grote Magelhaense Wolk, een onregelmatig sterrenstelsel dat als een satelliet van de Melkweg wordt beschouwd. Dankzij de nieuwe gegevens konden ze nauwkeuriger de afstanden tussen de aarde en deze hemellichamen in de Grote Magelhaense Wolk schatten, waardoor ze ook de Hubble-constante met grotere precisie konden berekenen.
Sluitend saldo
Als het universum inderdaad sneller uitdijt dan werd gedacht, dan zou dat alleen verklaard kunnen worden met nieuwe natuurkundige inzichten. Is donkere energie nog vreemder en krachtiger dan we dachten? Is donkere materie nog complexer dan we ons hadden voorgesteld? Bestaat er een of ander onopgemerkt deeltje in de kosmos, bijvoorbeeld ‘steriele neutrino’s’, die alleen via de zwaartekracht met andere vormen van materie interacteren?
En als onze berekening van de kosmische balans niet sluitend blijkt te zijn, dan moeten we misschien de hulp van een externe boekhouder inroepen. Die hulp kan binnenkort beschikbaar zijn: in 2017 registreerden wetenschappers namelijk voor het eerst zwaartekrachtsgolven, oftewel rimpelingen in het weefsel van de ruimtetijd zelf, veroorzaakt door de fusie van twee neutronensterren. Dankzij deze baanbrekende meting konden astronomen een onafhankelijke schatting van de Hubble-constante maken. Tot dusver sluit die waarde precies aan op de door Planck gevonden gegevens en op de waarden die via de kosmische afstandsladder zijn vastgesteld.
Maar de nauwkeurigheid waarmee dit soort ‘standaardsirenes’ gebruikt kunnen worden om de expansie van het universum te meten, berust op het aantal fusies van neutronensterren die kunnen worden opgepikt door observatoria als het LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). Tot dusver hebben astronomen nog maar één zo’n botsing waargenomen, hoewel het LIGO op 25 april mogelijk een tweede waarneming heeft gedaan. Het vaststellen van de precieze bron van deze golven aan de nachthemel blijkt erg lastig te zijn, waardoor vervolgonderzoek door telescopen vanaf de aarde wordt bemoeilijkt.
Intussen werken Riess en astronomen in de hele wereld aan het nog verder verfijnen van hun berekeningen van de Hubble-constante, in de hoop dat zelfs een klein verschil iets geheel nieuws over de aarde en de werking van het universum onthult.
“Zelfs negen procent is echt enorm als je het hebt over foutmarges van één à twee procent,” zegt Riess. “We hebben het idee dat het universum ons nog steeds iets probeert te leren.”
Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com
