Je rijdt met de auto tussen twee steden en probeert na te gaan hoe ver het is. De dagteller van de auto zegt 74 kilometer, maar een meting op een kaart geeft 67,4 kilometer aan. De vraag is waar de fout ligt: is de dagteller kapot, heb je het verkeerd gemeten – of is er iets fundamenteel mis?
Momenteel kampen de astronomen met een soortgelijk probleem. Wat ze proberen te meten, is alleen niet de afstand tussen twee steden maar de snelheid waarmee het heelal uitdijt, en hierbij komen ze tot twee totaal verschillende resultaten.
De metingen van beide manieren zijn grondig gecontroleerd op fouten – en die zijn niet gevonden. Maar als de gangbare theorieën over de inhoud en de ontwikkeling van het heelal kloppen, dan kunnen beide resultaten niet juist zijn.
De astronomen zijn het erover eens dat het heelal uitdijt, waardoor sterrenstelsels van elkaar weg trekken. De vraag is nu met welke snelheid dat gebeurt.
Deze snelheid heet de hubbleconstante, en daar houdt de eensgezindheid van de astronomen op. Als de hubbleconstante bekend is, kunnen ze terugrekenen tot het begin van het heelal, dus onenigheid over de juiste snelheid gaat ook over de ouderdom van het heelal.
Planck-telescoop
De Planck is de telescoop die de hubbleconstante het zuiverst heeft gemeten.
- Type: Ruimtetelescoop
- Periode: 2009-2013
- Golflengte: Van microgolven tot het infrarode spectrum
- Missie: Het meten van temperatuurverschillen in de kosmische achtergrondstraling
De hubbleconstante is moeilijk exact te meten. Uit de verschillende meetmethoden komen steeds iets andere resultaten, maar de wetenschappers verwachten dat betere meetmethoden de juiste uitdijingssnelheid zullen benaderen.
De laatste jaren hebben de astronomen echter preciezere methoden ontwikkeld, zonder dat de resultaten dichter bij elkaar zijn gekomen.
Integendeel, ze zijn juist om twee waarden gaan draaien, 67,4 en 74 km/s, dus waarschijnlijk zit er maar één ding op: we moeten ons begrip van de inhoud en krachten van het heelal herzien.
Sterren geven de snelheid prijs
De Amerikaanse Nobelprijswinnaar en hoogleraar aan de Johns Hopkins University Adam Riess werkt al ruim 20 jaar aan de meting van de hubbleconstante. Wanneer grote sterren van een bepaald type eindigen als supernova, gloeien ze met een specifieke lichtsterkte.
Dat maakt het mogelijk om de afstand van verre sterrenstelsels en ook de snelheid waarmee ze van ons af bewegen, te meten. In 2019 kwamen Riess en zijn team uit op een hubbleconstante van 74,0 km/s voor elke megaparsec die twee stelsels van elkaar verwijderd zijn.
Een megaparsec (Mpc) is een lengtemaat voor extreem grote afstanden; 1 megaparsec komt overeen met ongeveer 31 miljard miljard kilometer.
Metingen geven andere uitkomst
Sterrenexplosies zijn de ijkpunten
Supernova’s van het type Ia hebben een bekende lichtsterkte. Verdubbelt de afstand, dan neemt het licht tot een kwart af, want het bestrijkt een groter oppervlak. Zo laat de lichtsterkte zien hoe ver de ster is.
Uitdijing verschuift de kleur van het licht naar rood
Als een supernova van ons af beweegt, wordt de golflengte van het licht opgerekt en wordt het licht roder. Door de roodverschuiving te meten valt te bepalen hoe snel de supernova van ons af beweegt.
Snelheid gedeeld door afstand geeft de hubbleconstante
Door de snelheid van de supernova te delen door zijn afstand tot ons kunnen astronomen de hubbleconstante berekenen. Hoe meer supernova’s er gemeten worden, des te groter de nauwkeurigheid wordt.
De meting is niet exact, maar Riess’ team durft wel te zeggen dat de hubbleconstante ergens tussen de 72,6 en 75,4 km/s per Mpc moet liggen.
Dit getal wordt ondersteund door een ander team van astronomen onder leiding van Sherry Suyu van het Max Planck-instituut voor astrofysica in Duitsland. Dit team kwam aan de hand van quasars – de fel verlichte centra van sterrenstelsels – tot een waarde van circa 73,3 km/s per Mpc.
Andere, meer onzekere metingen geven resultaten aan hetzelfde uiteinde van het spectrum en komen uit op 72-75 km/s per Mpc.
Maar een zeer nauwkeurige meting met een andere methode springt eruit met een veel lager cijfer, gebaseerd op de gegevens van de Europese ruimtetelescoop Planck, die actief was van 2009 tot 2013.
Die mat de kosmische achtergrondstraling, de nagloeiing van de oerknal die vrijkwam toen het heelal nog maar 380.000 jaar oud was. Door deze straling te analyseren, kunnen astronomen berekenen hoe het heelal is
uitgedijd.
In 2018 maakte het team achter de missie bekend dat de hubbleconstante volgens de berekeningen 67,4 km/s per Mpc bedraagt – plus of min 0,5 km/s per Mpc, en dat is tot nu toe de kleinste foutenmarge die ooit bij de hubbleconstante is opgetreden.
Het resultaat wordt ondersteund door berekeningen van de hubbleconstante op basis van de locatie van sterrenstelsels.
In het jonge heelal was de materie niet overal even dicht, waardoor sterrenstelsels nu niet gelijkmatig zijn verdeeld. Dit patroon in de verdeling van de sterrenstelsels is bruikbaar om de hubbleconstante te berekenen.
Op basis van de grootte en de verdeling van warme en koude gebieden is de uitdijingssnelheid te berekenen.
Methode 2
67,4 km/s is de snelheid waarmee het heelal uitdijt als astronomen de achtergrond-straling meten.
Het heelal heeft miljarden jaren lang gebaad in warmtestraling die van zijn prille fase afkomstig is: de kosmische achtergrondstraling. Destijds was het heelal een gloeiend hete soep van materie en straling, maar de soep was niet overal even warm – er waren piepkleine variaties in temperatuur en dichtheid van de materie. Later dijde het heelal uit en koelde het af, maar de straling uit de tijd dat het heelal 380.000 jaar oud was, is er nog.
De Planck-telescoop heeft die restwarmte van de oerknal zeer nauwkeurig gemeten. Vandaag de dag bedraagt de temperatuur van het heelal -270,42 °C – slechts 2,73 °C boven het absolute nulpunt – maar nog steeds zijn er kleine variaties te bespeuren. De kosmische achtergrondstraling schommelt al naargelang de verschillen in de dichtheid van de materie in het jonge universum, en op basis daarvan kunnen astronomen berekenen hoe snel het heelal sindsdien is uitgedijd.
Als astronomen met deze laatste twee metingen de tijd terugdraaien tot aan de oerknal, dan komt de ouderdom van het heelal uit op de 13,8 miljard jaar die tot nu toe is aangehouden.
Maar als het heelal veel sneller uitdijt, zoals blijkt uit Adam Riess’ metingen aan de hand van supernova’s, kan het honderden miljoenen jaren jonger zijn.
De onzekerheid over de hubbleconstante betreft ook de vorm van het heelal. Veel astronomen zijn het erover eens dat het heelal vrijwel vlak is, maar ze weten niet of het oneindig groot is of niet.
Inhoud heelal bepaalt zijn vorm
1. Gesloten heelal
Hoge dichtheid sluit het universum
Als de gemiddelde hoeveelheid materie en energie – de dichtheid – in het heelal hoog is, kromt het zich naar binnen als een bol. De astronomen noemen zo’n vorm gesloten en twee lichtstralen die parallel vertrekken, buigen naar elkaar toe. De som van de hoeken van een driehoek is meer dan 180 graden.
2. Open heelal
Lage dichtheid openthet universum
Bij een lage dichtheid krult het heelal naar buiten toe op, als een zadel. Dit noemen we een open heelal, en twee lichtstralen die parallel vertrekken, verwijderen zich van elkaar tot in het oneindige. In het open heelal is de som van de hoeken van een driehoek minder dan 180 graden.
3. Vlak heelal
Bepaalde dichtheid maakt het universum vlak
Als de dichtheid een zeer specifieke waarde heeft, kromt het heelal zich nauwelijks. Het is zo plat als een dubbeltje – in drie dimensies. Twee lichtstralen blijven tot in het oneindige parallel aan elkaar, en de som van de hoeken van een driehoek is altijd 180 graden.
In een artikel in het tijdschrift Nature Astronomy uit 2019 stellen drie natuurkundigen dat de metingen van de Planck-telescoop op een gesloten heelal duiden.
Dat wil zeggen dat het zich naar binnen kromt als een bal en een eindige omvang heeft. De theorie lost alleen het hubbleprobleem niet op, want een gekromd, gesloten universum zou betekenen dat de hubbleconstante zelfs lager is dan waar het team van de Planck-telescoop op uitkwam.
Herziene handleiding heelal
Als een fysieke grootte gemeten wordt, zoals de snelheid van de uitdijing van het heelal, moet het resultaat telkens hetzelfde zijn – het mag niet afhankelijk zijn van de meetmethode.
Als de resultaten verschillen, zijn óf de metingen óf enkele basisaannames van de natuurkunde dus onjuist.
Astronoom Adam Riess mat de hubbleconstante met behulp van supernova’s.
"Nu heeft de discrepantie een punt bereikt dat echt onmogelijk als toeval kan worden afgedaan."
Adam Riess, hoogleraar astronomie
Astronomen hebben alles gedaan om uit te zoeken wat een fout in de metingen kan veroorzaken, maar alle berekeningen lijken solide – zowel die met een hubbleconstante van bijna 67 km/s per Mpc als die van bijna 74 km/s per Mpc. Niemand heeft fouten in de analyses gevonden.
Met andere woorden, de kosmologie verkeert in een crisis, maar de wetenschappers zijn vaak blij met zo’n crisis, omdat de uitweg daaruit kan leiden tot nieuwe basiskennis.
Adam Riess noemt het verschil in de hubblemetingen zelfs de meest interessante ontwikkeling in de kosmologie in tientallen jaren, en stelt vast: ‘De discrepantie is toegenomen en heeft nu een punt bereikt dat echt onmogelijk als toeval kan worden afgedaan.
’Als alle metingen correct zijn, moet het verschil ontstaan doordat we de spelregels van het heelal nog niet voldoende hebben begrepen. Zoals Sherlock Holmes zei: ‘Als je het onmogelijke uitsluit, moet dat wat er overblijft de waarheid zijn, hoe onwaarschijnlijk ook.’
Astronomen moeten dan ook de handleiding van het heelal, waar ze al tientallen jaren aan werken, mogelijk corrigeren. En er worden al oplossingen voorgesteld voor het hubbleprobleem. Ze schetsen alleen een heelal dat nog ingewikkelder is dan onderzoekers al dachten.
Het standaardmodel van de kosmologie – het λ-CDM-model – verklaarde tot dusver waarom het heelal eruitziet zoals het eruitziet, en dit model is de basis voor alle metingen van de uitdijing van het heelal.
CDM staat voor Cold Dark Matter, koude donkere materie. Donkere materie wordt zo genoemd omdat het geen straling afgeeft. Met koud bedoelen de natuurkundigen dat het veel trager beweegt dan licht.
λ, de Griekse letter lambda, staat voor donkere energie – een energie die overal in het heelal voorkomt en het steeds groter maakt. De oplossing die de meeste aandacht heeft gekregen, heeft juist te maken met die donkere energie.
Materie en donkere energie trekken elk een kant op
Sinds de oerknal dijt het heelal uit, maar die beweging wordt geremd door gewone en donkere materie. Donkere energie probeert de uitdijing juist voortdurend te versnellen, en werkt als een soort springveer die het heelal vergroot.
Gewone materie werkt remmend
Sterren, planeten en elementaire deeltjes, die we kunnen observeren, vallen onder gewone materie. Alle materie trekt materie aan, wat we waarnemen als zwaartekracht. Die kracht trekt het heelal samen en werkt zijn uitdijing tegen.
Donkere energie versnelt
De zwaartekracht wordt tegengewerkt door donkere energie, die tegendruk uitoefent. De dosis donkere energie per volume blijft gelijk, maar omdat die meer ruimte creëert, stijgt de hoeveelheid ervan en gaat de uitdijing sneller.
Donkere materie remt nog meer
Net als gewone materie heeft donkere materie een aantrekkende werking, wat de uitdijing nog meer remt. Omdat donkere materie geen bekende vorm van straling uitzendt of absorbeert, is deze alleen te observeren als zwaartekracht.
In het simpelste model van het heelal gaan de astronomen ervan uit dat donkere energie altijd hetzelfde is geweest – dat elke kubieke meter ruimte altijd een bepaalde hoeveelheid donkere energie heeft bevat.
De donkere energie zorgt ervoor dat het heelal steeds sneller uitdijt doordat er steeds meer ruimte is en dus ook meer donkere energie. Maar als de donkere energie sterker wordt, zal de uitdijing méér versnellen.
Dat kan verklaren dat meetmethoden verschillende resultaten geven. De lage waarde van de met de achtergrondstraling berekende hubbleconstante stoelt namelijk op de aanname dat donkere energie constant is.
En de metingen die de hoge waarde geven, zijn gebaseerd op de snelheid waarmee sterrenstelsels van ons af bewegen en hangen niet af van aannames over donkere energie.
Als donkere energie niet constant is, dan is dus het logisch dat de meetmethoden andere resultaten geven.
Natuurkundigen vinden het moeilijker om uit te leggen wat donkere energie eigenlijk is en welke mysterieuze natuurlijke kracht haar in de loop van de tijd verandert.
Het heelal is grotendeels donker
Volgens het standaardmodel van de kosmologie bestaat het heelal uit donkere energie, donkere materie en gewone materie. Gewone materie vormt slechts 4,9 procent. De verschillen in de metingen van de snelheid waarmee het heelal uitdijt, zijn wellicht ontstaan doordat het onzichtbare heelal – donkere energie of materie – nog onvoldoende doorgrond is.
Een andere vreemde energie die alleen de eerste 100.000 jaar van de geschiedenis van het heelal werkte en daarna spoorloos verdween, is ook aangedragen als verklaring voor de hubblediscrepantie.
Dus misschien komt er een nieuwe natuurkracht aan te pas om uit te leggen waarom het universum zich zo merkwaardig gedraagt.
Neutrino maakt de som kloppend
Als de oplossing voor het hubbleprobleem geen nieuwe natuurkracht is, kan het een raadselachtig deeltje zijn. Astronomen van onder andere Fermilab in de VS denken bijvoorbeeld aan neutrino’s.
Deze elementaire deeltjes zijn overal aanwezig en worden onder meer in grote aantallen geproduceerd in de zon, maar ze blijven meestal onder de radar.
Neutrino’s hebben namelijk geen interactie met andere stoffen, maar zijn een soort spookdeeltjes die dwars door alles heen gaan en heel moeilijk te meten zijn.
Natuurkundigen weten dan ook weinig over deze geheimzinnige deeltjes, die wellicht de sleutel zijn voor de verklaring waarom de metingen van de hubbleconstante zulke uiteenlopende resultaten opleveren.
De natuurkundigen kennen drie soorten neutrino’s, maar mogelijk is er nog een. Als dit vierde neutrino er in het vroege heelal al was, had het invloed op de kosmische achtergrondstraling en de wijze waarop de sterrenstelsels zijn verspreid.
En in dat geval moeten de gegevens die ten grondslag liggen aan de lage waarde van de hubbleconstante op een heel nieuwe manier worden geanalyseerd. Dat kan een hogere waarde geven, die dichter bij de waarde ligt die gevonden is aan de hand van supernova’s en quasars.
De Australische astronoom Matt O’Dowd presenteert een videoserie over astronomie en legt de crisis rond de hubbleconstante uit.
Het antwoord kan komen van het nieuwe neutrino-observatorium Hyper-Kamiokande – dit is in aanbouw in Japan en bestaat uit een watertank die gevuld zal worden met 260 miljoen liter ultrazuiver water.
40.000 extreem gevoelige fotodetectoren moeten sporen van neutrino’s opvangen als die op een watermolecuul botsen – en daarbij duikt er wellicht een onbekend neutrino op.
Als de supernova’s dwarsliggen, kan de grote telescoop Vera C. Rubin Observatory, in aanbouw in Chili, nauwkeurigere metingen leveren. Hij zal in 2023 voltooid zijn en veel meer supernova’s kunnen waarnemen dan tot nu toe mogelijk was.
En hoe meer supernova’s waarvan we de afstand en snelheid kunnen bepalen, des te nauwkeuriger de hubbleconstante kan worden gemeten.
De Europese ruimtetelescoop Euclides gaat vanaf 2022 na hoe het heelal de laatste 10 miljard jaar is uitgedijd.
Met de Euclides kunnen astronomen niet alleen zien hoe het heelal nu uitdijt, maar ook hoe die beweging er in de geschiedenis van het heelal aan toe is gegaan.
Op die manier kunnen ze zien of de waarnemingen passen bij de theorieën over de uitdijing van het heelal in de tijd.
Euclid-satelliet
De Euclides-satelliet gaat na of donkere energie door de tijd heen is veranderd.
- Type: Ruimtetelescoop
- Lancering: 2022
- Golflengte: Zichtbaar licht tot nabij-infrarood
- Missie: Onderzoek van donkere energie en donkere materie door de uitdijing van het heelal te meten
Of de astronomen het weer eens worden dankzij een van de genoemde theorieën of dankzij een heel andere, zullen toekomstige metingen uitwijzen.
Alleen met het juiste model voor het heelal en zijn inhoud valt er met stelligheid iets te zeggen over de ouderdom en uitdijingssnelheid van het heelal.
De nieuwe observaties van neutrino’s, donkere energie en supernova’s kunnen leiden tot een preciezere beschrijving van het heelal.
Zoals wanneer je tussen twee steden rijdt en de dagteller en een meting op de kaart dezelfde afstand laten zien.