Het heelal is scheef geworden

Astronomen waren het over een ding lang eens: het heelal dijt in alle richtingen even snel uit. Maar nieuwe metingen wijzen erop dat het op sommige plekken sneller gaat dan op andere, en nu moet al onze kennis over het heelal wellicht heroverwogen worden.

Astronomen waren het over een ding lang eens: het heelal dijt in alle richtingen even snel uit. Maar nieuwe metingen wijzen erop dat het op sommige plekken sneller gaat dan op andere, en nu moet al onze kennis over het heelal wellicht heroverwogen worden.

Claus Lunau

Bij een nieuw universum moet je denken aan een kleine, ronde, ongebakken krentenbol. De gelijkelijk verdeelde krenten zijn de zaadjes van de clusters van sterrenstelsels.

Tijdens het rijzen dijt het kosmische deeg overal precies even snel uit. En de krenten, die nu sterrenstelsels zijn, verspreiden zich weg van elkaar in alle richtingen. Maar ze zijn nog steeds gelijk verdeeld over de krentenbol.

Dit scenario beschrijft het standaard-model, het fundament voor de kosmologie, maar nu hebben astronomen met de twee ruimtetelescopen XMM-Newton en Chandra X-ray Observatory sterk bewijs gevonden dat het deeg ongelijkelijk rijst.

Met andere woorden, de sterrenstelsels bewegen niet even snel van elkaar weg en zijn niet precies gelijk verdeeld over het universum.

Door die ontdekking staan de twee fundamenten van de kosmologie op losse schroeven: dat het heelal in elke richting even snel uitdijt en dat, als je naar het grote geheel kijkt, overal gelijke aantallen sterrenstelsels zijn

© Shutterstock

En alsof dit nog niet genoeg is, wordt nu ook een derde fundament – dat de natuurkrachten overal in het universum even sterk zijn – in twijfel getrokken.

Via de observatie van het licht van verre megasterrenstelsels, zogeheten quasars, hebben Australische astronomen mogelijk het bewijs gevonden dat de elektromagnetische kracht varieert. Daarmee is opeens al onze kennis over de kosmos onzeker geworden.

Explosie zet expansie in gang

De moderne kosmologie ontstond in 1929, toen de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble ontdekte dat het heelal niet stilstaat, zoals men vroeger dacht, maar naar alle kanten uitdijt.

En hoe verder van de Melkweg een sterrenstelsel zich bevindt, hoe sneller het door de ruimte reist. Deze ontdekking leidde tot de oerknaltheorie, die stelt dat alle massa en energie in het universum van oorsprong geconcentreerd was in een onvoorstelbaar klein punt dat explodeerde en de continue uitdijing van het universum in gang zette.

Onderzoekers zijn het erover eens dat de oerknal, de basis voor de huidige kosmologie, zo’n 13,8 miljard jaar geleden heeft plaatsgevonden.

Uit nieuwe röntgenmetingen blijkt dat sterrenstelselclusters zich niet overal even snel verplaatsen, dus het is de vraag of het heelal wel gelijkmatig uitdijt. De mysterieuze afstotende kracht, donkere energie, is wellicht niet overal gelijk.

© Planck Collab/ESA

Massa is sinds het begin gelijk verdeeld

De kosmische achtergrondstraling werd pas 380.000 jaar na de oerknal uitgezonden en is een afdruk van het prille universum. Stralingsonderzoek wijst uit dat de massa destijds gelijkelijk verdeeld was en het heelal naar alle kanten even snel uitdijt.

© Claus Lunau

De Theorie: Uitdijing heeft overal dezelfde snelheid

Het heelal breidt zich al uit sinds het ontstaan, 13,8 miljard jaar geleden. Talrijke observaties laten zien dat de sterrenstelselclusters gelijkelijk verdeeld zijn in de ruimte en dat het heelal van nu nog steeds overal even snel uitdijt.

© Planck Collab./ESA & Claus Lunau

De Theorie: Donkere energie is overal even sterk

Tot 5 à 6 miljard jaar geleden daalde het tempo van uitdijing doordat de zwaartekracht die tegenwerkte, maar door een onbekende afstotende kracht, donkere energie, die volgens de theorie overal even sterk is, begon de uitdijing te versnellen.

© K. Migkas et al. 2020

Nieuwe meting: Snelheid van het heelal varieert

Röntgenmetingen van de bewegingen van sterrenstelselclusters in de laatste 5 miljard jaar laten zien dat de uitdijing scheef loopt. In de paarse en gele gebieden is de uitdijingssnelheid, de hubbleconstante, lager en hoger dan de gemiddelde snelheid van het heelal. De sterkte van de donkere energie lijkt te variëren.

In de jaren 1970 wezen observaties uit dat de massaverdeling van oplichtende clusters overal in het heelal uniform is, ongeacht de kant waar de telescopen naar zijn gericht.

Als de uitdijing altijd in een gelijkmatig tempo had plaatsgevonden, dan zou de aantrekkingskracht tussen de clusters een scheve verdeling van massa veroorzaakt hebben.

Daarom bedachten theoretisch natuurkundigen de inflatietheorie. Die stelt dat een uitdijing van een fractie van een seconde na de oerknal ervoor zorgde dat de massa gelijkelijk verdeeld is over het heelal – net zoals de lucht zich gelijkmatig over de inhoud van een ballon verdeelt bij het opblazen.

De laatste 30 jaar hebben astronomen de inflatietheorie kracht bij­gezet met nauwkeurige metingen van de kosmische achtergrondstraling die 380.000 jaar na de oerknal door de ruimte gezonden werd.

Deze achtergrondstraling is een momentopname van het piepjonge heelal, en onderzoek laat zien dat de massa in het universum toen gelijkelijk verdeeld was, en dat de ruimte vanaf het begin naar alle kanten gelijkmatig uitdijt.

Een mysterieuze kracht slaat toe

Tot in de jaren 1990 voorspelden theoretici dat de aantrekkingskracht tussen de clusters in de loop van de tijd de uitdijingssnelheid zou vertragen.

Maar toen Amerikaanse en Australische astronomen de snelheid van de uitdijing tot ver terug in de tijd maten met behulp van extreem heldere supernova’s, bleek iets heel verbazingwekkends: de uitdijing van het heelal accelereert.

De enorme leegte tussen de clusters is blijkbaar gevuld met een afstotende donkere energie, die de poging van de zwaartekracht om de clusters naar elkaar te trekken een halt heeft toegeroepen.

In de eerste 8 à 9 miljard jaar van het universum zorgde de aantrekkingskracht tussen de clusters ervoor dat de uitdijingssnelheid daalde, maar 5 à 6 miljard jaar geleden won de donkere energie de worstelpartij met de zwaartekracht en versnelde de uitdijing.

© C. Carreau/ESA

Volgens de belangrijkste theorie over donkere energie ontspringt de mysterieuze kracht uit de leegte tussen de clusters en is de sterkte altijd constant – in die zin dat een leegte met een gegeven volume altijd precies dezelfde hoeveelheid afstotende energie bevat.

Toen de donkere energie miljarden jaren geleden de zwaartekracht versloeg, kwam dat doordat de leegte en daarmee de sterkte van de donkere energie steeds groter werden, net zoals het heelal uitdijt.

Volgens de standaardtheorie in de natuurkunde is de sterkte van de natuurkrachten overal in het heelal even groot, maar nieuwe lichtmetingen van verre sterrenstelsels – quasars – wijzen erop dat de elektromagnetische kracht varieert. Die kracht is sterker aan de noordelijke kant van de hemelbol.

©

De Theorie: Natuurconstante is overal even sterk

De fijnstructuurconstante bepaalt de sterkte van de elektromagnetische wisselwerking tussen geladen deeltjes als protonen en elektronen. Volgens de standaardtheorie is die in het hele heelal even sterk.

© Planck Collab./ESA & Claus Lunau

Nieuwe meting: Metaalatomen onthullen magnetische polen in heelal

Het licht van verre quasars passeert gaswolken, waarin metaalatomen bepaalde golflengten absorberen. Maar die golflengten zijn anders dan verwacht, want het heelal lijkt een magnetische noord-zuidas te hebben.

© Shutterstock & M. Kornmesser/ESO

  • 1 Richting noord: Zwak elektromagnetisme: Uit observaties blijkt dat de elektromagnetische kracht in sterrenstelsels aan de noordelijke hemelbol net iets zwakker is.
  • 2 Op aarde: Perfecte sterkte voor leven: In ons deel van het heelal is de elektromagnetische kracht zodanig dat zich complexe moleculen vormen, ons fundament.
  • 3 Richting zuid: Sterk elektromagnetisme: In verre sterrenstelsels aan de zuidelijke hemel is het elektromagnetisme sterker, mogelijk dankzij een noord- en zuidpool.

Uit deze theorie volgt dat de donkere energie overal in het heelal even sterk is, en dat de uitdijing van het heelal overal gelijkelijk versnelt.

Maar deze hypothese komt door de nieuwe resultaten van de ruimte-telescopen XMM-Newton en Chandra X-Ray Observatory onder druk te staan, omdat die erop lijken te wijzen dat de ruimte zich op verschillende plekken met verschillende snelheden uitbreidt.

Clusters met variërende snelheid

De nieuwe observaties werden gedaan door astronomen onder leiding van Konstantinos Migkas van de Duitse universiteit van Bonn. Ze namen 191 dagen lang de bewegingen waar van 237 sterrenstelselclusters met NASA’s Chandra X-Ray Observatory, en 76 clusters werden 35 dagen lang geobserveerd met ESA’s röntgentelescoop XMM-Newton, en met archiefdata van de Japanse röntgensatelliet ASCA kwam het aantal clusters op 842.

Alle clusters bevinden zich op 5 miljard lichtjaar van ons vandaan, dus de gemeten bewegingen traden op nadat de donkere energie de uitdijing van het heelal in een versnelling bracht, 5 à 6 miljard jaar terug.

Om de afstand tot clusters van sterrenstelsels en andere lichtbronnen te meten moeten de astronomen hun reële – absolute – magnitude weten. Die vonden ze in dit geval door in elk cluster de temperatuur van de extreem hete wolken van waterstofgas tussen sterrenstelsels te meten.

Hoe heter de gassen, hoe meer röntgenstraling er uit het cluster komt, en clusters met dezelfde temperatuur en afstand zouden dus precies even sterk in het röntgenspectrum moeten schijnen.

De schijnbare magnitude van een object hangt echter altijd af van de afstand tot het object, dus de afstand tot een cluster kan gemeten worden door de schijnbare met de absolute magnitude te vergelijken.

842 sterrenstelselclusters laten zien dat de uitdijing niet gelijkmatig is.

Verrassend genoeg bleken er in het hemelruim twee gebieden te zijn waarin de röntgenstraling van de clusters 30 procent sterker respectievelijk 30 procent zwakker was dan zou moeten.

Dat duidt erop dat het helderdere cluster dichter bij de Melkweg en het zwakker schijnende juist verder weg ligt dan verwacht.

Toen de onderzoekers hun observaties vergeleken met de algemene uitdijingssnelheid van het heelal, kwamen ze tot de conclusie dat die uitdijing trager gaat op de plek waar de clusters dichterbij bleken dan verwacht, en sneller verloopt waar de clusters verder weg waren.

Donkere energie kan een veld zijn

De meest gebruikelijke verklaring voor de snelheidsverschillen is dat de sterkte van de afstotende donkere energie varieert. Die verklaring is tegenstrijdig met de heersende theorie, die beschrijft dat donkere energie
constant is, en dat de afstoting overal gelijk is.

De resultaten stroken daarom beter met een alternatieve theorie die aangeeft dat donkere energie een onbekend afstotend veld is dat in tijd en ruimte varieert.

Een verklaring kan uiteraard ook zijn dat de opzienbarende resultaten niet kloppen, bijvoorbeeld doordat er een supercluster zou schuilgaan achter het snelgroeiende gebied in het heelal, dat plaatselijk extra aantrekkingskracht uitoefent op de snel reizende clusters, ook al blijkt dat niet uit de metingen.

Verder kunnen de metingen van de röntgenstraling verstoord zijn door onbekende stofwolken in de Melkweg. Gelukkig komen er betere metingen aan van de Russisch-Duitse satelliet Spectrum-Roentgen-Gamma (SRG), die in 2020 begon met observeren.

Waar de XMM-Newton en de Chandra alleen röntgenstraling met golflengten vanaf 1 nanometer kunnen zien, vangt de SRG-satelliet, die ongehinderd door stofwolken heen kan kijken, ze al op bij 0,2 nanometer.

En waar de eerdere satellieten slechts een paar clusters waargenomen hebben, zal de SRG er in vier jaar 100.000 observeren. Dat zal nog veel meer mogelijkheden bieden om afwijkingen te vinden in de uitdijingssnelheid van het heelal.

De nieuwe resultaten die niet stroken met de fundamentele natuurkundige theorieën, worden verder onderzocht. Twee ruimtetelescopen en een gigantische telescoop op aarde moeten uitwijzen of de uitdijingssnelheid en elektromagnetische kracht variëren.

© Space research Institute

Röntgensatelliet observeert 100.000 clusters

De Russisch-Duitse röntgensatelliet SRG zal vier jaar lang de bewegingen van 100.000 sterrenstelselclusters vastleggen. Daaruit moet blijken of de afstotende donkere energie voor variatie in de uitdijingssnelheid van het heelal zorgt. Hij is in 2020 in gebruik genomen en heeft de eerste kaart van de ruimte in röntgenstraling al gemaakt.

© S. Corvaja/ESA

Ruimtetelescoop kijkt miljarden jaren terug

In 2022 vertrekt de ruimtetelescoop Euclid om de bewegingen van 2 miljard sterrenstelsels gedurende de afgelopen 10 miljard jaar te onderzoeken. De observaties in de zichtbare en nabij-infrarood-spectroscopie dekken de periode dat de donkere energie de uitdijing versnelde en kunnen ophelderen of de energie varieert of niet.

© L. Calçada/ESO

Megatelescoop meet elektromagnetische kracht

De Extremely Large Telescope, die in 2025 dienst gaat doen, kan kleine verschillen meten in golflengten van licht dat geabsorbeerd is door metaalatomen in gaswolken tussen de stelsels. Dat zal uitwijzen of elektromagnetische kracht varieert.

Natuurconstante is niet constant

Misschien is het niet alleen de mysterieuze donkere energie die door de ruimte heen varieert in sterkte. Hetzelfde geldt wellicht ook voor de meest onderzochte natuurkracht die er is: elektromagnetisme.

In 1999 vond de Australische astronoom John Webb van de University of New South Wales de eerste tekenen die erop duiden dat deze natuurconstante misschien niet zo constant is, toen hij licht waarnam van de helderste sterrenstelsels, quasars, dat terug te volgen valt tot de begintijd van het universum. Dat licht schijnt zo fel dat quasars honderden gewone sterrenstelsels overtreffen.

Webb gebruikte de 10 meter grote Kecktelescoop op Hawaï om de wisselwerking tussen het licht van de quasars en metaalatomen in intergalactische gaswolken die de quasar passeert, te observeren.

Maar hij durfde zijn resultaten nog niet te geloven, omdat ijzer en magnesium in de wolken iets andere golflengten van het licht absorbeerden dan metaalatomen in laboratoria op aarde.

Die resultaten vallen alleen te verklaren als de zogeheten fijnstructuurconstante iets kleiner was op het moment dat het licht door de gaswolken reisde.

Die constante bepaalt de sterkte van de elektromagnetische kracht tussen elektrisch geladen deeltjes, zoals protonen en elektronen, en het is een algemeen dogma in de natuurkunde dat de sterkte van de natuurkracht altijd en overal in het heelal gelijk is.

Eerst dacht John Webb dan ook dat hij een meetfout had gemaakt, maar niemand kon die vinden.

99,9937 procent waarschijnlijk is het dat het heelal een magnetische noord- en zuidpool heeft.

De volgende stap in de eliminatie van mogelijke meetfouten was om soortgelijke metingen uit te voeren met de Very Large Telescope in Chili, die uit vier gekoppelde telescopen van 8,2 meter groot bestaat.

Zo sloeg de Australische onderzoeker opnieuw van verbazing achterover. Deze keer was de elektromagnetische kracht ver in de ruimte niet zwakker, maar juist iets sterker dan op aarde.

Dat bracht Webb op de theorie dat de elektromagnetische kracht niet alleen tussen verschillende perioden varieert, maar ook tussen de noordelijke en de zuidelijke hemelbol.

De Kecktelescoop observeert de ruimte vanaf de 20e noordelijke breedtegraad op Hawaï, en de VLT, in Chili, vanaf de 25e zuidelijke breedtegraad.

Elektromagnetisch noord en zuid

Het afgelopen decennium heeft John Webb zijn eerdere resultaten bevestigd door licht van honderden quasars te meten; als laatste een quasar in de noordelijke hemelbol op
13 miljard lichtjaar afstand die al licht uitzond toen het heelal 800 miljoen jaar jong was.

En het feit blijft dat de elektromagnetische kracht iets zwakker is in de verre delen van het noordelijke hemelruim en iets sterker in de verre delen van het zuidelijke hemelruim, gemeten langs een noord-zuidas.

De waarschijnlijkheid dat dit verbluffende fenomeen geen toeval is, is 99,9937 procent: bijna de gouden standaard van 99,9994 procent die astronomen nodig hebben om een observatie een ontdekking te noemen.

De doorbraak kan in 2025 volgen, als de nieuwe Extremely Large Telescope in Chili aan de slag gaat.

Met zijn 39,3 meter grote spiegel zal de telescoop kleine bewegingen in de golflengten van het geabsorbeerde licht van quasars met veel grotere precisie kunnen meten dan de telescopen van nu.

De afwijkingen die gemeten zijn in de fijnstructuurconstante ver weg in de ruimte zijn in elke richting slechts 6 miljoenste.

En dat is maar goed ook, want als de elektromagnetische kracht maar iets zwakker was geweest dan die in de Melkweg, dan konden positief geladen elektronen hun negatief geladen elektronen niet vasthouden en dus ook geen atomen en complexe moleculen vormen, het fundament van het leven.

En als de kracht juist iets sterker was geweest, dan maakten de sterren geen koolstof aan, de belangrijkste bouwsteen van het leven.

Meer dan 50 jaar hebben astronomen zich vastgeklampt aan het dogma dat het heelal altijd en overal eender is. Maar als zowel de elektromagnetische kracht als de mysterieuze donkere energie in tijd en ruimte variëren, houdt dat dogma geen stand.

En net als toen Edwin Hubble inzag dat de ruimte niet statisch is, kan ook dit leiden tot een beter begrip van het heelal.