Het heelal dijt sneller uit dan het zou moeten. Waarom?

De discrepantie tussen hoe snel het heelal lijkt uit te dijen en hoe snel we verwachten dat het uitdijt, is een van de hardnekkigste anomalieën in de kosmologie.

Kosmologen baseren hun verwachting van de uitdijingssnelheid – een snelheid die bekend staat als de Hubble-constante – op metingen van de straling die kort na de oerknal is uitgezonden. Deze straling onthult de precieze ingrediënten van het vroege heelal. Kosmologen stoppen deze ingrediënten in hun model van de kosmische evolutie en rekenen het model door om te zien hoe snel de ruimte vandaag de dag zou moeten uitdijen.

Oorspronkelijk verhaal overgenomen met toestemming van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Stichting met als missie het vergroten van het inzicht van het publiek in de wetenschap door het verslaan van onderzoeksontwikkelingen en trends in de wiskunde en de natuur- en levenswetenschappen.

De voorspelling gaat echter niet op: wanneer kosmologen astronomische objecten zoals pulserende sterren en exploderende supernova’s waarnemen, zien ze een heelal dat sneller uitdijt, met een grotere Hubble-constante.

De discrepantie, bekend als de Hubble-spanning, is blijven bestaan, zelfs nu alle metingen steeds nauwkeuriger zijn geworden. Sommige astrofysici blijven debatteren over de vraag of de spanning misschien niet meer is dan een meetfout. Maar als de discrepantie reëel is, betekent dit dat er iets ontbreekt in het model dat kosmologen van het heelal hebben gemaakt.

De laatste tijd zijn theoretici druk bezig geweest met het bedenken van nieuwe kosmische ingrediënten die, wanneer ze aan het standaardmodel worden toegevoegd, de verwachte uitdijingssnelheid van het heelal zouden opvoeren, zodat het overeenkomt met de waarnemingen.

“Het ontdekken van anomalieën is de fundamentele manier waarop de wetenschap vooruitgang boekt,” aldus Avi Loeb, kosmoloog aan de Harvard Universiteit en een van de tientallen onderzoekers die oplossingen hebben aangedragen voor de Hubble spanning.

Dit zijn enkele van de beste ideeën voor wat de kosmische uitdijing zou kunnen versnellen.

Dalende donkere materie

Het standaardmodel van de kosmologie omvat alle bekende vormen van materie en straling en hun interacties. Het omvat ook de onzichtbare stoffen die bekend staan als donkere energie en donkere materie, die samen zo’n 96 procent van de kosmos uitmaken. Omdat er zo weinig bekend is over deze donkere ingrediënten, zijn zij misschien wel de meest voor de hand liggende plaats om aan het standaardmodel te gaan morrelen. “Dat is wat je tot je beschikking hebt om de uitdijingssnelheid van het heelal te veranderen,” zei Loeb.

Het standaardmodel gaat ervan uit dat donkere materie bestaat uit langzaam bewegende deeltjes die geen interactie hebben met licht. Maar wat als we ook aannemen dat donkere materie niet uit slechts één enkele stof bestaat? Aangezien er veel verschillende soorten zichtbare deeltjes bestaan – quarks, elektronen enzovoort – zouden er ook meerdere donkere deeltjes kunnen zijn.

In een artikel dat afgelopen zomer in Physical Review D is gepubliceerd, hebben Loeb en twee medewerkers een vorm van donkere materie bekeken die vervalt in een lichter deeltje en een massaloos deeltje dat bekend staat als een donker foton. Naarmate meer en meer donkere materie in de loop der tijd verviel, zo redeneerden zij, zou de zwaartekracht ervan zijn afgenomen, waardoor de uitdijing van het heelal zou zijn versneld en de Hubble-spanning zou zijn verminderd.

Maar het aanbrengen van kleine veranderingen zoals deze in het standaard kosmologisch model kan ongewenste domino-effecten hebben. “Het is heel gemakkelijk om allerlei kleine aanpassingen te bedenken,” zei Marc Kamionkowski, een theoretisch natuurkundige aan de Johns Hopkins University, maar het is moeilijk om dat te doen, zei hij, zonder de perfecte fit van het model met een schat aan andere astronomische waarnemingen te verpesten.

Door de vervalsnelheid en de hoeveelheid donkere materie die bij elk verval verloren gaat te variëren, selecteerden Loeb en collega’s een model van vervallende donkere materie waarvan ze zeggen dat het nog steeds overeenkomt met andere astronomische waarnemingen. “

Toch blijft hij ontevreden over het idee van vervallende donkere materie, deels omdat het twee nieuwe onzekere grootheden in de vergelijkingen introduceert.

“In dit geval voeg je twee vrije parameters toe om één discrepantie op te lossen – en daar voel ik me niet prettig bij,” zei hij, en hij vergeleek verval van donkere materie met de epicykels in Ptolemeus’ aardecentrische model van het heelal. “Ik heb liever dat twee tegenstrijdigheden door één parameter worden verklaard.

Inconstante donkere energie

Al sinds de verrassende ontdekking in 1998 dat het heelal steeds sneller uitdijt, hebben kosmologen een afstotende donkere energie opgenomen in hun model van de kosmische evolutie. Maar de aard ervan blijft een mysterie. De eenvoudigste mogelijkheid is dat donkere energie de “kosmologische constante” is – de energie van de ruimte zelf, met een constante dichtheid overal. Maar wat als de hoeveelheid donkere energie in het heelal niet constant is?

Een extra dosis donkere energie in het vroege heelal, ook wel vroege donkere energie genoemd, zou de tegenstrijdige waarden van de Hubble-constante kunnen verklaren. De naar buiten gerichte druk van deze vroege donkere energie zou de uitdijing van het heelal hebben versneld. “Het lastige is dat die energie niet echt kan blijven bestaan; hij moet snel verdwijnen”, zegt Lisa Randall, deeltjesfysicus en kosmoloog aan Harvard.

Randall en haar medewerkers hebben in een paper in het Journal of High Energy Physics oplossingen bedacht voor de Hubble-constante die zij “rock-‘n-roll” noemen. Elk van deze aanvullingen op het standaardmodel neemt een andere wiskundige vorm aan – in sommige schommelt de dichtheid van donkere energie, of schommelt, terwijl in andere de dichtheid van een hoge waarde naar nul rolt. Maar in alle gevallen moet de vroege donkere energie na een paar honderdduizend jaar verdwijnen, tijdens een tijdperk dat bekend staat als recombinatie. “De geschiedenis van het heelal sinds de recombinatie is behoorlijk consistent met het standaardmodel,” zei Kamionkowski, die coauteur was van een artikel over vroege donkere energie dat afgelopen juni in Physical Review Letters is gepubliceerd. “Dus alle apenstreken die we in het vroege heelal uithalen, moeten verdwijnen.”

Naast vroege donkere energie hebben theoretici ook andere exotische vormen van donkere energie naar voren gebracht, zoals quintessence en fantoom donkere energie, die ook veranderen naarmate het heelal ouder wordt. Hoewel deze uitbreidingen van het standaardmodel de Hubble spanning verlichten, worden ze door veel kosmologen beschouwd als fine-tuned-ongelegen wiskundige toevoegingen die geen duidelijke rechtvaardiging hebben.

Maar Kamionkowski zegt dat de nieuwe vormen van donkere energie minder gekunsteld lijken wanneer ze worden beschouwd naast andere perioden van expansie in de geschiedenis van het heelal. De meeste kosmologen denken bijvoorbeeld dat de ruimte aan het begin van de oerknal exponentieel uitdijde tijdens een periode die inflatie wordt genoemd en die werd aangedreven door een ander soort donkere energie dan de energie die nu bestaat. Dergelijke door donkere energie gedomineerde perioden zouden “af en toe voorkomen in de geschiedenis van het heelal”, aldus Kamionkowski.

Gemodificeerde zwaartekracht

In het standaardmodel van de kosmologie worden alle bekende vormen van materie en straling, plus donkere materie en donkere energie, ingevoerd in de zwaartekrachtstheorie van Albert Einstein, en de vergelijkingen van Einstein geven aan hoe de ruimte als gevolg daarvan uitzet. Dit betekent dat er, behalve het veranderen of toevoegen van kosmische ingrediënten aan het model, nog een andere manier is waarop natuurkundigen het in overeenstemming kunnen brengen met de waargenomen kosmische uitdijingssnelheid: “Je kunt je voorstellen dat Einsteins vergelijkingen niet kloppen,” zei Loeb.

William Barker, een doctoraal student aan de Universiteit van Cambridge, was afgelopen zomer op zoek naar een theorie van “gemodificeerde zwaartekracht” toen hij stuitte op een manier om de Hubble spanning op te lossen. Barker vond een model van gewijzigde zwaartekracht dat “zich kon gedragen alsof er extra straling in het vroege heelal was”, zei hij; de stralingsdruk zou de kosmische uitdijingssnelheid hebben verhoogd.

Maar in een voorpublicatie die in maart bij Physical Review D werd ingediend, erkennen Barker en drie coauteurs dat er nog veel meer analyse nodig is om te zien of het model niet alleen kan beschrijven hoe het heelal uitdijt, maar ook hoe structuren zoals sterrenstelsels en clusters zijn geëvolueerd.

Met de huidige telescopen die een overvloed aan indrukwekkend nauwkeurige gegevens over dergelijke structuren bieden, is het bedenken van een theorie die overeenkomt met alle waarnemingen geen geringe prestatie. “Veel van de gemodificeerde-zwaartekrachttheorieën zijn geen complete theorieën, en als je een gedetailleerde berekening probeert te maken met geavanceerde datasets… is het moeilijk om dat op een robuuste manier te doen,” aldus Kamionkowski.

Wachten en zien

“We weten allemaal dat ze ad hoc zijn,” zei Randall over de voorstellen tot nu toe. “Het verbazingwekkende is dat zelfs met deze ad hoc toevoegingen, het nog steeds erg moeilijk is om de discrepantie te accommoderen.”

Zelfs met de extra vrijheid, verminderen de meeste van de niet-standaard modellen alleen de Hubble spanning in plaats van deze te elimineren. Ze voorspellen een snellere kosmische uitdijing dan het standaardmodel, maar nog steeds niet snel genoeg om waarnemingen van supernova’s en andere astronomische objecten te evenaren.

De komende jaren zullen de Euclid-telescoop en andere telescopen nauwgezet in kaart brengen hoe zwaartekracht en donkere energie de kosmische evolutie hebben bepaald. Ondertussen bieden zwaartekrachtgolven van botsende neutronensterren een nieuwe manier om de Hubble-constante te meten. De nieuwe gegevens zullen sommige van deze nieuwe oplossingen voor de Hubble-constante uitsluiten, maar er kunnen nieuwe barsten in het standaardmodel ontstaan. Voorlopig zijn veel kosmologen afkerig van het compliceren van het model wanneer het verder zo goed werkt. “Er heerst een beetje een gevoel van afwachten, tenzij iemand een heel goed idee heeft,” zei Randall.

Ze voegde eraan toe dat zelfs als de Hubble-spanning niet meer dan een opeenstapeling van fouten blijkt te zijn, deze zoektocht naar nieuwe fysica misschien niet tevergeefs is.

“Interessante resultaten komen af en toe voort uit dingen die uiteindelijk weer verdwijnen,” zei Randall. “Het dwingt je om na te denken: wat weten we? En in hoeverre kunnen we dingen veranderen?”

Originele verhaal overgenomen met toestemming van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Stichting met als missie het vergroten van het begrip van de wetenschap door het verslaan van onderzoeksontwikkelingen en trends in de wiskunde en de natuur- en levenswetenschappen.

Guinguette Marais Poitevin

Blog