Hoe we onze telescopen ook richten, het heelal ziet er vrijwel hetzelfde uit, en als we ver genoeg uitzoomen zijn sterrenstelsels overal gelijkmatig verdeeld. Op deze aanname berust onze kennis van het heelal, dus toen de Britse sterrenkundestudent Alexia Lopez op een foto van de hemel een smal strookje sterrenstelsels zag dat zich van oost naar west uitstrekte, keek ze raar op. Het heelal leek haar toe te lachen.
Als student aan de universiteit van Central Lancashire in het VK zocht Alexia Lopez naar patronen in de verdeling van sterrenstelsels miljarden lichtjaren van de aarde. En toen ze uitzoomde en naar een nog groter stuk hemel keek, was ze niet meer verbaasd – maar ronduit verbijsterd.
Ze vond een absurd grote en bijna symmetrische boog van stelsels die zich over 3,3 miljard lichtjaar uitstrekte – een van de grootste structuren die ooit in het heelal is ontdekt. De reuzenboog is circa 9,2 miljard lichtjaar van ons verwijderd, en als we hem met het blote oog konden zien, zou hij zich even ver over de hemel uitstrekken als 20 vollemanen op een rij.
De ontdekking is opmerkelijk omdat zulke grote structuren indruisen tegen de kosmologische theorie over de structuur van het heelal, die stelt dat elk stuk heelal eruitziet als een ander deel.
20 vollemanen lang zou de gigantische boog zijn als we hem met het blote oog konden zien.
De lachende boog is dus zo gigantisch dat hij er niet hoort te zijn, en hij stelt de natuurkundetheorie over de ontwikkeling van het heelal op de proef – misschien is het heelal toch niet zo oud als we dachten.
Materie moet gelijkmatig zijn
Al ruim 100 jaar borduren astronomen voort op de aanname dat het universum homogeen en isotroop is. Dit betekent dat materie op een grote schaal gelijkmatig verdeeld is en dat het heelal er naar alle kanten hetzelfde uitziet.
Het lijkt vreemd dat natuurkundigen ervan uitgaan dat het heelal een uniforme massa is. We zien immers dat dit niet het geval is – kijk maar naar onszelf.
Volgens het kosmologisch principe is het heelal op grote schaal homogeen (de materie is overal gelijkmatig verdeeld) en isotroop (het ziet er naar alle kanten hetzelfde uit).
Als mensen hebben we een hogere dichtheid dan de lucht om ons heen, en in ons stukje heelal is materie opgehoopt tot een rotsplaneet met leegte eromheen. Hij draait om een ander bolvormig object met een hoge dichtheid, de zon.
Het zonnestelsel maakt deel uit van een sterrenstelsel, een van de miljarden sterrenhopen in het heelal, dus het lijkt er niet bepaald op dat de materie gelijkmatig verdeeld is over het heelal.
Toch stelt het kosmologisch principe dat de materie in het ene deel van het heelal niet dichter is dan in het andere. Als je uitzoomt, zal de materie gelijkmatig verdeeld zijn en niet samenklonteren.
Natuurkunde versimpelt heelal
Ons stelsel, de Melkweg, bevat 100 tot 400 miljard sterren, waarvan er vele planeten hebben. En de Melkweg is maar een van de triljoen sterrenstelsels in het zichtbare heelal. De stelsels draaien om elkaar heen in clusters, die op hun beurt gegroepeerd kunnen worden tot superclusters.
Stelsels vormen samen enorme structuren
Als je uitzoomt wordt het duidelijk dat ons eigen sterrenstelsel, de Melkweg (pijl), weinig indrukwekkend is. Elke stip op de foto is een sterrenstelsel.
1. Spiraalstelsel is ons thuis
De aarde en de rest van het zonnestelsel maken deel uit van het middelgrote spiraalstelsel dat we de Melkweg noemen. Dit telt 100 tot 400 miljard sterren, waarvan er vele planeten hebben, en is ruim 100.000 lichtjaar in doorsnee.
2. Stelsels vormen groepen en clusters
De Melkweg, het Andromedastelsel, de Driehoeknevel en allerlei dwergstelsels vormen de Lokale Groep van 10 miljoen lichtjaar doorsnee. Grote verzamelingen sterrenstelsels noemen we clusters, en de Virgocluster ligt circa 54 miljoen lichtjaar verderop.
3. Supercluster bevat 100.000 stelsels
De Lokale Groep (pijl) ligt aan de rand van supercluster Laniakea, die vele stelselgroepen en -clusters telt, inclusief Virgo. De supercluster strekt zich uit over 520 miljoen lichtjaar en bevat rond de 100.000 sterrenstelsels.
4. Kosmische muur is 1,5 miljard lichtjaar lang
Laniakea is een deel van een nog grotere structuur, het Pisces-Cetus-superclustercomplex van 1 miljard lichtjaar lang. De enorme structuur Sloan Great Wall meet 1,37 miljard lichtjaar.
5. Reuzenstructuren zitten ons dwars
De gigantische boog (inzet) die in 2021 is ontdekt, is meer dan 3 miljard lichtjaar lang. Net als de Sloan Great Wall is hij zo groot dat astronomen hem niet kunnen verklaren als ze aannemen dat alle materie in het heelal gelijkmatig is verdeeld.
Volgens het kosmologisch principe kunnen er grote stelselclusters zijn, maar als de materie gelijkmatig verdeeld is, is er een grens aan hoe groot de structuren kunnen zijn. Geavanceerde wiskunde stelt de grens op 1,2 miljard lichtjaar, of 11.000 miljard miljard kilometer. En de door Alexia Lopez ontdekte reuzenboog is bijna drie keer zo groot.
Maar gaat het kosmologisch principe niet op, dan moeten we het kosmologisch standaardmodel zelf, dat gebaseerd is op Einsteins algemene relativiteitstheorie uit 1915, heroverwegen.
De relativiteitstheorie vertelt ons dat we zwaartekracht kunnen zien als een kromming van de ruimtetijd, veroorzaakt door de materie – of meer algemeen, de energie – die in het heelal aanwezig is.
Einsteins vergelijkingen zijn lastig toe te passen, maar in de jaren 1920 en 1930 gebruikten de natuurkundigen Aleksandr Friedmann, Georges Lemaître, Howard P. Robertson en Arthur G. Walker de theorie om het hele heelal en de ontwikkeling ervan te beschrijven.
Dit was echter alleen mogelijk omdat de natuurkundigen het heelal zagen als een gladde soep van deeltjes. Alleen door te negeren dat materie klontert, kwamen ze tot dit model van het heelal.
Het kosmologisch principe maakte Einsteins vergelijkingen gewoon beter werkbaar, maar intuïtief is het ook logisch dat de uitdijing van het heelal de materie vrij gelijkmatig verdeeld moet hebben.
‘De boog is zo groot dat hij lastig te verklaren is met onze huidige theorieën.’ Astrofysicus Alexia Lopez, universiteit van Central Lancashire
Sindsdien gaan astrofysici uit van dit vrij eenvoudige model van het heelal, maar het probleem is dat ze structuren hebben gevonden die het kosmologisch principe met voeten treden.
3D-kaart toont megastructuren
De enorme stelselclusters worden pas zichtbaar als grote delen van het heelal in drie dimensies in kaart worden gebracht. De meest uitgebreide kartering is de Sloan Digital Sky Survey, het resultaat van 20 jaar gegevensverzameling met behulp van een telescoop in New Mexico, VS.
De catalogus van miljoenen stelsels en quasars – felle galactische kernen – is toegankelijk voor alle sterrenkundigen op aarde, en met name hier hebben ze een aantal van de grootste structuren in het zichtbare heelal gevonden.
Al in 2003 onthulde de survey een 1,37 miljard lichtjaar lange ‘muur’ van stelsels die de Sloan Great Wall genoemd is – een rij superclusters op ongeveer een miljard lichtjaar afstand.
Als de Sloan Great Wall een eenling was, zou het kosmologisch principe het misschien overleefd hebben, maar later zijn er meer en nog grotere structuren van stelsels of quasars gevonden – zoals de Smiling Bow, die ook gelokaliseerd werd met behulp van gegevens van de Sloan Digital Sky Survey.
Magnesium bracht reuzenboog aan het licht
Dankzij een nieuwe methode om verre stelsels te lokaliseren vond Alexia Lopez de reuzenboog aan de hemel. De stelsels zijn zo ver weg dat ze met gewone telescopen nauwelijks te zien zijn, maar het licht van duizenden nog verdere stelsels, quasars, maakte het mogelijk ze te lokaliseren.
Quasars zenden licht uit
Verre quasars – felle galactische kernen – zenden krachtig licht het heelal in, ook naar de aarde, op alle mogelijke golflengten.
Magnesium absorbeert het licht
Het gas in en rond de stelsels tussen de quasars en de aarde bevat magnesium, dat het licht van de quasars op twee golflengten absorbeert.
Golflengten geven stelsels prijs
Lopez lokaliseerde de anders onzichtbare stelsels in de gigantische boog door te kijken waar de magnesiumgolflengten ontbraken in het licht van de quasars.
De megastructuren duiden er dus op dat het kosmologisch standaardmodel aan een revisie toe is, en natuurkundigen hebben al ideeën voor verbetering.
Sommigen van hen werken aan een niet-homogene kosmologie, waarbij ze kijken hoe de ontwikkeling van het heelal beïnvloed wordt als rekening gehouden wordt met de megastructuren. Misschien zijn de grootste structuren geen probleem in zo’n model van het heelal.
Anderen stellen dat de zwaartekracht over enorme afstanden anders werkt dan Einstein beschrijft, waardoor er in het heelal ongelijkheden ontstaan.
Een derde invalshoek is die van de donkere energie, een hypothetische vorm van energie in de lege ruimte die ervoor zorgt dat het heelal steeds sneller uitdijt. Donkere energie is een integraal deel van het kosmologisch standaardmodel en wordt als een constante beschreven. Maar volgens sommige wetenschappers kan ze variëren in tijd of ruimte – of is deze hypothetische energie helemaal niet nodig om het heelal te beschrijven.
Een nieuwe kosmologie kan andere berekeningen van de uitdijing van het heelal en daarmee onze datering ervan leveren. Dat kan betekenen dat het heelal dus niet 13,8 miljard jaar oud is, zoals het standaardmodel ons vertelt.
Maar kosmologen zijn nog niet klaar om het kosmologisch principe helemaal af te schrijven. Voordat ze de beproefde theorie schrappen, willen ze graag een preciezere kaart van het heelal met meer details van de gevonden megastructuren, die ook laat zien of er nog meer zijn.
Gelukkig gloort er hoop – al in december 2023 begint er een omvangrijke kartering van het heelal, waarbij het grote, nieuw gebouwde Vera C. Rubin Observatory in Chili gebruikt zal worden. Deze telescoop zal de astronomen veel gedetailleerdere beelden geven van meer dan de helft van de hemel, waarmee ze veel verder terug in de tijd kunnen kijken.
Die kartering zal uitwijzen of het nog zin heeft het heelal als een gladde soep te zien, of dat er balletjes in drijven. Als de nachtelijke hemel – op grote schaal – niet hetzelfde is, op welke planeet we ook zijn en in welke richting we ook kijken, dan is het tijd voor een nieuw heelalmodel.