Het universum bleek verkeerd te zijn

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Kosmologen worden geconfronteerd met een ernstig wetenschappelijk probleem, dat wijst op de onvolmaaktheid van de menselijke kennis over het heelal. De complexiteit betreft zoiets schijnbaar onbeduidends als de uitdijingssnelheid van het heelal. Het feit is dat verschillende methoden verschillende betekenissen aangeven - en tot nu toe kan niemand de vreemde discrepantie verklaren.

Kosmisch mysterie

Momenteel beschrijft het standaard kosmologische model "Lambda-CDM" (ΛCDM) de evolutie en structuur van het universum het nauwkeurigst. Volgens dit model heeft het universum een positieve kosmologische constante die niet nul is (lambda-term) die een versnelde uitdijing veroorzaakt. Bovendien verklaart ΛCDM de waargenomen structuur van de CMB (kosmische microgolfachtergrond), de verdeling van sterrenstelsels in het heelal, de overvloed aan waterstof en andere lichte atomen, en de snelheid van vacuümexpansie. Een ernstige discrepantie in de expansiesnelheid kan echter wijzen op de noodzaak van een radicale verandering in het model.

De theoretisch fysicus Vivian Poulin van het Franse Nationale Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek en het Laboratorium voor het Heelal en Deeltjes in Montpellier stelt dat dit het volgende betekent: er is iets belangrijks gebeurd in het jonge heelal waarvan we nog niets weten. Misschien was het een fenomeen geassocieerd met een onbekend type donkere energie of een nieuw soort subatomaire deeltjes. Als het model er rekening mee houdt, verdwijnt de discrepantie.

Op de rand van een crisis

Een van de manieren om de uitdijingssnelheid van het heelal te bepalen, is door de microgolfachtergrond te bestuderen - de relikwiestraling die 380 duizend jaar na de oerknal ontstond. ΛCDM kan worden gebruikt om de Hubble-constante af te leiden door grote fluctuaties in de CMB te meten. Het bleek gelijk te zijn aan 67, 4 kilometer per seconde voor elke megaparsec, of ongeveer drie miljoen lichtjaar (bij zo'n snelheid divergeren objecten op gepaste afstand van elkaar). In dit geval is de fout slechts 0,5 kilometer per seconde per megaparsec.

Als we met een andere methode ongeveer dezelfde waarde krijgen, dan bevestigt dit de validiteit van het standaard kosmologische model. Wetenschappers maten de schijnbare helderheid van standaardkaarsen - objecten waarvan de helderheid altijd bekend is. Dergelijke objecten zijn bijvoorbeeld type Ia supernovae - witte dwergen die geen materie meer kunnen absorberen van grote begeleidende sterren en exploderen. Door de schijnbare helderheid van standaardkaarsen, kunt u de afstand tot hen bepalen. Tegelijkertijd kun je de roodverschuiving van supernova's meten, dat wil zeggen de verschuiving van golflengten van licht naar het rode gebied van het spectrum. Hoe groter de roodverschuiving, hoe groter de snelheid waarmee het object van de waarnemer wordt verwijderd.

Zo wordt het mogelijk om de uitdijingssnelheid van het heelal te bepalen, die in dit geval gelijk blijkt te zijn aan 74 kilometer per seconde voor elke megaparsec. Dit komt niet overeen met de waarden verkregen uit de ΛCDM. Het is echter onwaarschijnlijk dat een meetfout de discrepantie kan verklaren.

Volgens David Gross van het Kavli Institute for Theoretical Physics aan de University of California, Santa Barbara, zou een dergelijke discrepantie in de deeltjesfysica geen probleem worden genoemd, maar een crisis. Een aantal wetenschappers was het echter niet eens met deze beoordeling. De situatie werd gecompliceerd door een andere methode, die ook gebaseerd is op de studie van het vroege heelal, namelijk baryonische akoestische oscillaties - oscillaties in de dichtheid van zichtbare materie die het vroege heelal vult. Deze trillingen worden veroorzaakt door akoestische plasmagolven en hebben altijd bekende afmetingen, waardoor ze eruitzien als standaardkaarsen. In combinatie met andere metingen geven ze de Hubble-constante consistent met ΛCDM.

Nieuw model

Het is mogelijk dat wetenschappers een fout hebben gemaakt bij het gebruik van Type Ia-supernova's. Om de afstand tot een ver object te bepalen, moet je een afstandsladder bouwen.

De eerste sport van deze ladder zijn de Cepheïden - veranderlijke sterren met een precieze periode-helderheidsrelatie. Cepheïden kunnen worden gebruikt om de afstand tot de dichtstbijzijnde type Ia supernova's te bepalen. In een van de onderzoeken werden in plaats van Cepheïden rode reuzen gebruikt, die in een bepaald levensstadium maximale helderheid bereiken - het is hetzelfde voor alle rode reuzen.

Als resultaat bleek de Hubble-constante 69,8 kilometer per seconde per megaparsec te zijn. Er is geen crisis, zegt Wendy Freedman van de Universiteit van Chicago, een van de auteurs van het artikel.

Maar ook deze verklaring werd in twijfel getrokken. De H0LiCOW-samenwerking heeft de Hubble-constante gemeten met behulp van zwaartekrachtlenzen, een effect dat optreedt wanneer een massief lichaam stralen van een ver object erachter buigt. De laatste zouden quasars kunnen zijn - de kernen van actieve sterrenstelsels die worden gevoed door een superzwaar zwart gat. Door zwaartekrachtlenzen kunnen er meerdere afbeeldingen van één quasar tegelijk verschijnen. Door de flikkering van deze beelden te meten, hebben wetenschappers een bijgewerkte Hubble-constante afgeleid van 73,3 kilometer per seconde per megaparsec. Tegelijkertijd wisten wetenschappers tot het laatst het mogelijke resultaat niet, wat de mogelijkheid van fraude uitsluit.

Het resultaat van het meten van de Hubble-constante van natuurlijke masers gevormd wanneer gas rond een zwart gat draait, bleek 74 kilometer per seconde per megaparsec te zijn. Andere methoden gaven 76,5 en 73,6 kilometer per seconde per megaparsec. Er doen zich ook problemen voor bij het meten van de verdeling van materie in het heelal, aangezien zwaartekrachtlensing een andere waarde geeft in vergelijking met metingen van de microgolfachtergrond.

Als blijkt dat de discrepantie niet te wijten is aan meetfouten, dan is een nieuwe theorie nodig om alle gegevens die nu beschikbaar zijn te verklaren. Een mogelijke oplossing is het veranderen van de hoeveelheid donkere energie die de versnelde uitdijing van het heelal veroorzaakt. Hoewel de meeste wetenschappers er voorstander van zijn om de natuurkunde niet bij te werken, blijft het probleem onopgelost.