Het is een van de grootste raadsels van de moderne astronomie: op basis van een groot aantal waarnemingen van sterren en sterrenstelsels lijkt het universum sneller uit te dijen dan wat in onze meest nauwkeurige kosmologische modellen wordt voorspeld. De aanwijzingen voor dit merkwaardige fenomeen hebben zich de afgelopen jaren al opgestapeld, waardoor sommige wetenschappers menen dat het tot een crisis in de kosmologie zal leiden.

Een groep van onderzoekers die met de ruimtetelescoop Hubble heeft gewerkt, heeft nu een omvangrijke nieuwe dataset samengesteld en daaruit afgeleid dat de kans dat het bij de waargenomen afwijking van de modellen om een statistische anomalie gaat, slechts één op de miljoen bedraagt. Kortom, het ziet er steeds meer naar uit dat er een fundamenteel kosmisch ingrediënt in de kosmos – of een onbekend samenspel tussen meerdere bekende ingrediënten – werkzaam is en dat astronomen dat ingrediënt of samenspel nog niet hebben geïdentificeerd.

‘Het heelal lijkt ons met allerlei verrassingen te bestoken en dat is een goede zaak, want daardoor ontdekken we nieuwe dingen,’ zegt Adam Riess, de astronoom van de Johns Hopkins University die het nieuwste onderzoek naar de anomalie heeft geleid.

Het raadsel wordt ook wel de ‘Hubble-spanning’ genoemd, naar de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble, die in 1929 observeerde dat naarmate een sterrenstelsel zich verder van de aarde bevindt, het zich sneller van ons af beweegt. Die observatie effende de weg voor onze huidige inzichten in een heelal dat met de Oerknal begon en sindsdien is blijven uitdijen.

Onderzoekers hebben op twee manieren geprobeerd om het huidige tempo van uitdijing te meten: door de afstanden tot talloze naburige sterren te meten en door extreem zwakke straling uit het zeer jonge universum in kaart te brengen. Beide benaderingen stellen astronomen in de staat om onze inzichten in het universum en in zijn 13,8 miljard jaar aan geschiedenis te testen. Het onderzoek heeft ook tot de ontdekking van enkele fundamentele kosmische ingrediënten geleid, waaronder ‘donkere energie’, een mysterieuze kracht die de steeds snellere expansie van het universum lijkt aan te drijven.

Maar de berekeningen van het huidige expansietempo van het heelal die met behulp van deze twee methoden zijn uitgevoerd, liggen zo’n acht procent uit elkaar. Dat verschil klinkt misschien vrij klein, maar als het reëel zou zijn, zou het heelal nog sneller uitdijen dan zelfs wordt voorspeld op basis van donkere energie – en zouden alle berekeningen over de kosmos geen hout meer snijden.

De nieuwe bevindingen van de onderzoekers zijn onlangs in de vorm van meerdere studies ingediend om te worden gepubliceerd in The Astrophysical Journal. In het onderzoek is gekeken naar metingen van specifieke sterren en stellaire explosies om de afstand tussen de aarde en naburige sterrenstelsels nauwkeuriger te meten. De dataset omvat 42 verschillende stellaire explosies, ruim tweemaal zo veel als de meest uitgebreide dataset van deze aard die tot dusver is samengesteld. Volgens het team bedraagt de ‘spanning’ tussen de gegevens van hun nieuwe analyse en die van metingen van de zeer jonge kosmos nu 5 sigma, een statistische drempelwaarde die in de hoge-energiefysica wordt gebruikt om metingen van nieuwe elementaire deeltjes te bevestigen.

Lees ook: Het heelal volgens de Grieken

Toch zien andere astronomen nog altijd ruimte voor mogelijke fouten in de gegevens zelf, wat zou betekenen dat de ‘Hubble-spanning’ een kunstmatige bijwerking van het meetproces is.

Maar Dan Scolnic, astronoom aan de Duke University en lid van het onderzoeksteam, ziet niet ‘hoe een fout van deze omvang zich op dit punt in de gegevens kan verbergen. En mocht dat wél zo zijn, dan is het iets wat nog niemand heeft geïdentificeerd. We hebben alle mogelijke voorstellen op dat gebied nagetrokken, maar geen van deze ideeën kan de spanning opheffen.’

Achtergrondstraling en afstandsladder

De Hubble-spanning ontstaat wanneer wetenschappers proberen het huidige tempo waarin het universum uitdijt – de ‘constante van Hubble’ – te berekenen of voorspellen. Met behulp van deze constante kunnen ze de ouderdom van het heelal sinds de Oerknal schatten.

Een van de manieren om de Hubble-constante te berekenen berust op metingen van de kosmische achtergrondstraling (‘cosmic microwave background’ of CMB), een extreem vaag schijnsel uit de tijd dat het universum nog maar 380.000 jaar oud was. Telescopen als het Planck-observatorium van de European Space Agency (ESA) hebben die achtergrondstraling gemeten en daarmee een gedetailleerde kaart van de distributie van energie en materie in het vroege universum gecreëerd en inzicht gekregen in de natuurkundige wetten waaraan deze energie en materie waren onderworpen.

Met behulp van een alomvattend model dat veel van de eigenschappen van het universum op spectaculaire wijze kan voorspellen – het zogenaamde Lambda-CDM-model, waarin ‘CDM’ voor ‘cold dark matter’ staat – kunnen kosmologen het zeer jonge CMB-universum op wiskundige wijze ‘vooruitspoelen’ en zo berekenen hoe groot de Hubble-constante tegenwoordig zou moeten zijn. Aan de hand van deze methode wordt voorspeld dat het universum met een snelheid van zo’n 67,36 kilometer per seconde per megaparsec (een megaparsec staat gelijk aan 3,26 miljoen lichtjaar) zou moeten uitdijen.

Daarentegen berekenen andere teams de Hubble-contante door te kijken naar het ‘lokale’ universum: de modernere sterren en sterrenstelsels in de directe kosmologische omgeving van de Melkweg. Deze rekenmethode berust op twee soorten metingen: de snelheid waarmee sterrenstelsel zich van de aarde af bewegen en de afstand van die sterrenstelsels ten opzichte van de aarde. Om deze gegevens nauwkeurig te kunnen meten, hebben astronomen een zogenaamde ‘kosmische afstandsladder’ nodig.

De kosmische afstandsladder die in het nieuwe onderzoek wordt gebruikt en door de onderzoekgroep van Riess in het kader van het SH0ES Project is samengesteld, is opgebouwd uit afstanden van een specifiek soort veranderlijke sterren: Cepheïden. Deze sterren zijn voor de kosmologie van grote waarde, omdat ze fungeren als stroboscopen met een bekend wattage en zeer regelmatige perioden. De kracht van hun lichtflitsen is omgekeerd evenredig aan de periode van hun lichtflitsen, zodat astronomen de intrinsieke helderheid van veel verder afgelegen Cepheïden kunnen meten en uiteindelijk hun afstand ten opzichte van de aarde precies kunnen berekenen.

Om de ladder te verlengen naar verder weg gelegen contreien van het heelal, hebben astronomen er nieuwe ‘sporten’ aan toegevoegd. Deze berusten op metingen van supernova’s van het type Ia. Door sterrenstelsel te bestuderen die zowel Cepheïden als Type Ia-supernova’s bevatten, kunnen astronomen de verhouding tussen de helderheid van deze supernova’s en hun afstanden ten opzichte van de aarde berekenen. En omdat Type Ia-supernova’s veel feller stralen dan Cepheïden en dus op veel grotere afstanden waargenomen kunnen worden, hebben astronomen hun afstandsmetingen naar meer afgelegen delen van het heelal kunnen uitbreiden.

Rekening houden met variabelen

Het probleem is dat het nauwgezet meten van al deze sterren en supernova’s een hels karwei is. Technisch gesproken zijn namelijk niet alle Cepheïden en Type Ia-supernova’s exact hetzelfde: bij sommige verschilt de samenstelling, andere kunnen een andere kleur hebben of in verschillende soorten sterrenstelsels huizen. Astronomen zijn jaren bezig geweest om met al deze variabelen rekening te houden, maar het blijft moeilijk om met zekerheid vast te stellen of er niet toch ergens een foutje in deze complexe berekeningen is geslopen.

Om dat probleem aan te pakken heeft een samenwerkingsverband genaamd ‘Pantheon+’ nog eens nauwkeurig gekeken naar 1701 waarnemingen van Type Ia-supernova’s die sinds 1981 zijn gedaan. Hun analyse hield ook in dat ze opnieuw alle bekende onzekerheden en mogelijke afwijkingen nauwkeurig berekenden.

Lees ook: Kosmische ‘lenzen’ bieden inzicht in vreemd gedrag van heelal

‘We letten bijvoorbeeld op zaken als de weersomstandigheden waarin een telescoop in november 1991 metingen heeft gedaan, dus dat is een hele opgave,’ zegt Scolnic van de Duke University, die samen met Dillon Brout van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics de leiding over het Pantheon+-project heeft.

De bevindingen van het team zijn verwerkt in de nieuwe analyse van Riess en zijn collega’s van het SH0ES Project. Nadat ze op dezelfde uitputtende wijze allerlei factoren hadden gecontroleerd die van invloed zouden kunnen zijn op waarnemingen van Cepheïden, kon het team zijn tot dusver meest nauwgezette schatting van de Hubble-constante presenteren: 73,04 kilometer per seconde per megaparsec (Mpc), met een foutmarge van 1,04 km/s/Mpc. Deze waarde ligt ongeveer acht procent hoger dan de waarde die uit metingen van de CMB door het Planck-observatorium is voortgekomen.

Daarnaast ging het team uitgebreid in op ideeën van andere wetenschappers over de reden waarom hun Hubble-constante hoger uitvalt dan die van het Planck-observatorium. Al met al probeerden de onderzoekers 67 varianten van hun analyse in evenzovele computermodellen uit – maar in geen van deze scenario’s werd de Hubble-spanning kleiner, en in sommige zelfs groter.

‘Ik denk dat we zorgvuldig naar een groot aantal zorgen en problemen hebben geluisterd,’ zegt Riess. ‘We hebben niet zomaar een konijn uit een hoge hoed getoverd… We hebben heel veel bizarre mogelijkheden nagetrokken.’

Onbekend universum

In de afgelopen jaren heeft ook Wendy Freedman van de University of Chicago gewerkt aan een schatting van de Hubble-constante, maar dan eentje die niet is gebaseerd op waarnemingen van pulserende Cepheïden. In plaats daarvan maakte ze gebruik van een specifieke groep van rode reuzen, die eveneens als ‘gloeilampen’ met een bekend wattage fungeren. Op basis van deze nieuwe ‘standaardkaarsen’, oftewel objecten in het heelal waarvan de intrinsieke helderheid bekend is, kwam Freedman tot haar eigen schatting van de Hubble-constante, namelijk 69,8 kilometer per seconde per megaparsec – dus ergens halverwege tussen de andere twee metingen.

Ondanks het zeer nauwgezette werk van de Pantheon+- en SH0ES-teams denkt Freedman dat hun analyse nog altijd beïnvloed kan zijn door onbekende fouten, waardoor er een Hubble-spanning wordt gevonden die er in feite niet is. En volgens haar zijn dit soort onzekerheden ook onvermijdelijk. Ten eerste zijn er slechts drie sterrenstelsel die zich dicht genoeg in de buurt van de Melkweg bevinden om de afstanden van hun sterren en supernova’s direct te kunnen meten. En de hele kosmische afstandsladder is gebaseerd op waarnemingen in dat drietal.

Lees ook: Universum dijt nog veel sneller uit dan werd gedacht

‘Drie is heel weinig, maar dat is waar we de natuur ons mee laat werken,’ zegt Freedman.

De teams van Pantheon+ en SH0ES hebben de gegevens van Freedman en anderen zorgvuldig bekeken. In enkele van de scenario’s die ze daarbij hebben doorgenomen, is onderzocht wat er zou gebeuren als de kosmische afstandsladder naast Cepheïden en Type Ia-supernova’s ook de rode reuzen van Freedman zou omvatten. Volgens dat scenario zou de Hubble-constante met de extra sterren van Freedman iets lager uitvallen, maar lang niet genoeg om de spanning op te heffen.

Als de Hubble-spanning werkelijk op een fysieke realiteit wijst, dan zal de verklaring ervoor waarschijnlijk berusten op het zoveelste elementaire deeltje of principe dat aan een lange lijst van reeds bekende ingrediënten moet worden toegevoegd.

Een van de voornaamste kandidaten voor zo’n ingrediënt is de theorie dat er ongeveer 50.000 jaar na de Oerknal een korte uitbarsting van ‘donkere energie’ heeft plaatsgevonden. In principe zou zo’n korte oprisping van extra energie de expansie van het nog jonge universum genoeg veranderen om de Hubble-spanning op te heffen, zonder dat daarbij al teveel hoeft te worden gesleuteld aan het Standaardmodel van de deeltjesfysica.

Deze uitleg zou er ook toe leiden dat de schatting van de ouderdom van het heelal zou slinken van de huidige 13,8 miljard jaar naar zo’n 13 miljard jaar.

‘Er zijn heel veel vragen over de introductie van deze nieuwe energie, die even opduikt en dan weer verdwijnt. Het voelt allemaal wat bizar aan,’ zegt Mike Boylan-Kolchin, astrofysicus aan de University of Texas in Austin. ‘Maar gezien de anomalie tussen de beide waarden bevinden we ons op een plek waar we misschien wel in vreemde uithoeken van het universum naar een verklaring moeten gaan zoeken.’

Voorlopig is er geen definitief bewijs voor het opduiken van donkere energie in het zeer jonge universum, hoewel het idee door enkele interessante waarnemingen lijkt te worden onderbouwd. Zo stelden onderzoekers van de Atacama Cosmology Telescope, een observatorium in Chili waarmee de CMB wordt onderzocht, vorige maand september dat een model waarin er sprake is van een vroege oprisping van donkere energie beter aansluit aansluiten op hun gegevens dan het kosmologische Standaardmodel. Maar de metingen van het Planck-observatorium wijzen op iets anders, dus zullen er meer metingen verricht moeten worden om het raadsel definitief op te lossen.

Ook andere observatoria zouden een bijdrage kunnen leveren aan een verklaring voor de Hubble-spanning. Zo is de Gaia-satelliet van de ESA al sinds 2014 bezig met het in kaart brengen van de Melkweg, waardoor er steeds betere schattingen ontstaan van de afstanden tussen de aarde en talloze sterren in ons sterrenstelsel, waaronder ook Cepheïden. En de nieuwe ruimtetelescoop James Webb – die volgens de planning later deze maand zal worden gelanceerd – zou astronomen kunnen helpen bij het controleren van afstandsmetingen die met de Hubble zijn uitgevoerd.

‘We werken aan het randje van het mogelijke,’ zegt Freedman. ‘We willen dit tot op de bodem uitzoeken.’

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