Ruimte

Kosmische ‘lenzen’ bieden inzicht in vreemd gedrag van heelal

In hun poging om te meten hoe snel het universum uitdijt, hebben astronomen nu de beschikking over een nieuwe methode om hardnekkige tegenstrijdigheden in de kosmologie te verklaren.maandag 16 september 2019

Door Michael Greshko
In deze opname waarin waarnemingen van het Chandra X-ray Observatory van de NASA en de Hubble-ruimtetelescoop zijn gecombineerd, zijn meerdere ‘klonen’ van een verre quasar te zien. Het licht van de quasar wordt door een massief sterrenstelsel dusdanig verbogen dat het sterrenstelsel als een lens werkt en meerdere schijnafbeeldingen van de quasar produceert.

Sinds het moment dat het universum zo’n dertien miljard jaar geleden in een immense explosie – de Big Bang of Oerknal – ontstond, is het steeds verder uitgedijd, zoals blijkt uit het feit dat sterrenstelsels overal in het heelal van elkaar af bewegen. Om de natuurwetten die het heelal beheersen te kunnen verklaren, hebben astronomen geprobeerd een van de belangrijkste getallen in de kosmologie te meten: de constante van Hubble, die beschrijft hoe snel deze expansie plaatsvindt en daarmee hoe oud het universum eigenlijk is.

Maar de diverse pogingen om de constante van Hubble te berekenen hebben de laatste jaren tot een crisis in de kosmologie geleid: het universum lijkt namelijk sneller uit te dijen dan wetenschappers hadden verwacht. Als deze verbluffende verandering wordt bevestigd, zullen astronomen een geheel nieuwe invulling moeten geven aan de basiswetten van het universum, die momenteel geen verklaring bieden voor zo’n versnelling – zelfs niet als daarbij rekening wordt gehouden met de aanwezigheid van donkere energie, een mysterieuze kracht die de expansie van het heelal aanzwengelt.

Maar nu hebben onderzoekers een nieuwe manier gevonden om het probleem te bestuderen: door te kijken naar sterrenstelsels die zó reusachtig zijn dat ze het weefsel van de ruimtetijd in hun omgeving krommen en licht dat van verder weg komt, als kolossale lenzen verbuigen.

De resultaten van het nieuwe onderzoek, dat vorige week werd gepubliceerd in het tijdschrift Science, zijn op zichzelf nog niet baanbrekend, want binnen een zekere foutmarge sluiten ze gewoon aan op eerdere pogingen om de waarde van deze zo belangrijke constante te berekenen. Maar de studie laat tegelijk zien dat het idee achter de nieuwe benadering werkt, en dat betekent dat astronomen voortaan minder van inschattingen over de structuur van het universum hoeven uit te gaan, zoals in eerdere speurtochten naar de waarde van de Hubble-constante het geval was.

“Wat betreft het meten van de constante van Hubble kunnen we nu een uniek perspectief bieden,” zegt hoofdauteur Inh Jee, die haar onderzoek voltooide als postdoconderzoeker aan het Max-Planck-Institut für Astrophysik.

Oorlog van de klonen

Tot voor kort hadden astronomen de beschikking over slechts twee algemeen aanvaarde methoden om de constante van Hubble te berekenen.

Om de waarde van de constante af te leiden uit de omstandigheden in het vroege universum gebruiken wetenschappers gegevens van de satelliet Planck, die metingen heeft gedaan van de kosmische achtergrondstraling, de ‘echo’ van de Big Bang die ongeveer 380.000 jaar na de vorming van het heelal werd uitgezonden. Als we uitgaan van bepaalde vooronderstellingen over de structuur van het heelal, blijkt uit de gegevens van Planckdat de constante van Hubble een waarde van ongeveer 67,4 kilometer per seconde per megaparsec bedraagt, met een foutmarge van plus of min 0,5. (Een parsec staat gelijk aan een afstand van ongeveer 3,26 lichtjaar, en een megaparsec is één miljoen parsecs.)

Maar onderzoekers kunnen de constante ook berekenen aan de hand van modernere sterren en sterrenstelsels, en bij deze methoden wordt niet van die kosmologische vooronderstellingen uitgegaan. Bepaalde typen sterren en stellaire explosies hebben altijd dezelfde helderheid; door die standaard-helderheid te vergelijken met hun op aarde waargenomen schijnbare helderheid, kunnen onderzoekers berekenen hoe ver deze objecten van ons vandaan staan. Astronomen kunnen uit die afstanden weer afleiden hoe snel ze van ons en van elkaar vandaan bewegen, iets wat ze kunnen zien aan verschuivingen in de golflengte van hun licht. Deze benadering, die is verfijnd door de onderzoeksgroep SH0ES, levert een Hubble-constante van 73,5 op, met een foutmarge van plus of min 1,7.

“De analogie die ik het liefst gebruik, is dat je de lengte van een kind van twee jaar oud meet en dat je met dat gegeven wilt voorspellen hoe groot hij of zij als volwassene zal worden. Maar, o jee, als je die volwassene gaat meten, dan blijkt dat niet te kloppen en is hij of zij dertig centimeter groter dan je had verwacht!” zegt Adam Riess, leider van SH0ES en astronoom aan de Johns Hopkins University.

Om uit te vinden of die discrepantie inderdaad optreedt, hebben astronomen naar andere, onafhankelijke methoden gezocht om de constante van Hubble te berekenen, waaronder het project COSMOGRAIL. Het in Zwitserland uitgevoerde project onderzoekt gravitatielenzen, gebieden in de ruimte waar zich zóveel massa bevindt dat het weefsel van de ruimtetijd zelf door de zwaartekracht wordt gekromd en al het licht dat erdoor schijnt, wordt verbogen.

Soms ligt een gravitatielens precies tussen de aarde en een zeer afgelegen object in de ruimte, waardoor het licht van dat object in meerdere ‘klonen’ rond de rand van de lens wordt gebroken. De klonen zijn niet allemaal even oud: het licht van de ene kloon kan minder zijn verbogen, omdat het een directere en snellere baan door de lens heeft gevolgd, terwijl het licht van een andere kloon zijn baan misschien door een bijzonder sterk verbogen deel van de ruimtetijd heeft afgelegd.

Steeds groter heelal | Het LAB 23
Steeds groter heelal | Het LAB 23

Bij COSMOGRAIL worden gravitatielenzen bestudeerd die toevallig voor quasars liggen, extreem heldere objecten met een zeer actief superzwaar zwart gat in hun centrum. De door de lens geproduceerde schijnafbeeldingen van een quasar zullen net als de quasar zelf af en toe van helderheid veranderen – maar niet allemaal op hetzelfde tijdstip. De minieme verschillen ertussen berusten op de verdeling van de massa binnenin de lens en de afstanden tussen de lens, de aarde en de quasar. Als onderzoekers kunnen berekenen hoe groot de massa van de lens moet zijn om de waargenomen verbuiging van het licht te verklaren, kunnen ze die uitkomst combineren met de tijdsvertragingen en zo uitrekenen hoe groot de waarde van de Hubble-constante is.

Een samenwerkingsverband met de naam H0LiCOW heeft deze benadering gebruikt om zijn eigen schatting van de Hubble-constante te maken: 73,3, met een foutmarge van plus of min 1,8. Die waarde sluit aan op de resultaten van SH0ES. In juli maakte H0LiCOW bekend dat de kans dat het verschil tussen deze beide bevindingen en die van Planckop toeval berust, minder dan één op tien miljoen bedraagt.

Ontwakende kracht

Zoals Jee en haar collega’s nu hebben aangetoond, blijven de ‘gelensde’ quasars van H0LiCOW maar resultaten opleveren. De groep kan de lensafbeeldingen dusdanig bewerken dat ze tot een compleet nieuwe benadering voor het berekenen van de Hubble-constante leiden.

Als de materie in het hart van een gravitatielens een zwaar sterrenstelsel is, kunnen de onderzoekers meten hoe snel de sterren in dat stelsel om het centrum ervan draaien en dat gegeven combineren met de tijdsverschillen om uit te rekenen hoe groot het stelsel moet zijn. En als ze de ware diameter van zo’n stelsel hebben berekend, kunnen ze die vergelijken met zijn schijnbare grootte aan de nachthemel en daaruit precies afleiden hoe ver het ‘gelensde’ stelsel van de aarde is verwijderd.

bekijk galerij

Jee en haar collega’s richtten zich op twee objecten met de aanduidingen B1608+656 en RXJ1131-1231. Beide vormden gravitatielenzen die het licht van nog verder weg gelegen quasars verbogen. Met behulp van de nieuwe methode konden ze berekenen dat B1608+656 zich op een afstand van vier miljard lichtjaar van de aarde bevindt en dat RXJ1131-1231 2,6 miljard lichtjaar van ons is verwijderd.

Vervolgens combineerden ze deze afstanden met verschuivingen in het licht van de beide sterrenstelsels om een schatting van de Hubble-constante te maken. De onderzoekers kwamen uit op een waarde van 82,4, met een foutmarge van plus of min 8,4, wat in de buurt komt van de waarden die door H0LiCOW en SH0ES werden gevonden.

Medeauteur Sherry Suyu vertelt dat H0LiCOW al van de voordelen van de nieuwe methode gebruik maakt om zijn waarden van de Hubble-constante te verfijnen. Volgens haar zullen in de toekomst veel meer gegevens met behulp van Jee’s methode bewerkt kunnen worden. Alleen al in het afgelopen jaar hebben astronomen volgens Suyu bijna veertig nieuwe ‘gelensde’ quasarsystemen ontdekt, van het type dat ook voor de nieuwe studie in Scienceis gebruikt.

“Het is echt heel bijzonder,” zegt Suyu, groepsleider aan het Max-Planck-Institut für Astrophysik. “Je meet de afstand tot een sterrenstelsel dat miljarden lichtjaren van ons is verwijderd, en dat met een foutmarge van maar een paar procent. Dat is helemaal niet slecht.”

Terwijl de studie van Jee eerder dit jaar voor publicatie werd beoordeeld, verscheen nog een ander onderzoek, van Radosław Wojtak en Adriano Agnello, in het tijdschrift Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. Ook daarin wordt aangetoond dat de gravitatielens-methode uitstekend werkt.

“Dit is nog maar het begin voor deze methode,” zegt Wojtak, astrofysicus aan de Universiteit van Kopenhagen. En binnenkort zullen er nog meer nieuwe methoden worden voorgesteld. In de toekomst zouden nog betere schattingen van de Hubble-constante gemaakt kunnen worden op basis van rimpelingen in de ruimtetijd die zwaartekrachtsgolven worden genoemd en die onder andere worden veroorzaakt door botsingen tussen neutronensterren.

Maar intussen blijft de kosmologie op de rand van de afgrond balanceren en staat ze misschien op het punt om zich in een onbekende leegte te storten.

“De grote vraag is, denk ik, of het kosmologische standaardmodel in gevaar is,” zegt Wojtak. “Ik weet het antwoord op die vraag niet, maar ik kan wel zeggen dat we het punt naderen waarop we die mogelijkheid serieus moeten overwegen.”

Dit artikel werd oorspronkelijk in het Engels gepubliceerd op NationalGeographic.com

kijk verder

Bizarre komeet uit ander zonnestelsel gespot

Bizarre komeet uit ander zonnestelsel gespot

De langs de zon suizende komeet werd ontdekt door een amateurastronoom en is tot nu toe de enige in zijn soort die is geïdentificeerd.
11 foto's
Bekijk prachtige foto’s van asteroïden en kometen
Van komeet Halley tot dwergplaneet Ceres: bekijk deze prachtige beelden.
Mysterieuze radioflitsen uit het verre heelal ontdekt

Mysterieuze radioflitsen uit het verre heelal ontdekt

De serie snelle flitsen komt van een bron op anderhalf miljard lichtjaar afstand vandaan en bestond onder meer uit een nog zeldzamere herhalende puls.