Het heelal dijt sneller uit dan de berekeningen voorspellen. Wat betekent dat?

Crisis in de kosmologie?

Crisis in de kosmologie? Volgens een grote recente studie dijt het heelal te snel uit, dat wil zeggen: sneller dan volgens de berekeningen zou moeten. En als dat zo is, moeten er vraagtekens bij de gangbare ideeën.

Het Andromedastelsel. Onderdeel van de Lokale Groep, net als onze eigen Melkweg. Beeld anp

Help, het heelal dijt te snel uit. Dat is in zeven woorden de noodkreet van Adam Riess, astronoom aan het Space Telescope Science Institute in Baltimore. Nee, hij ligt er 's nachts niet wakker van, vertelde hij begin dit jaar op een groot sterrenkundecongres in Washington, maar er is wel sprake van een crisis in de kosmologie, want mogelijk is er iets grondig mis met de gangbare ideeën over het heelal. Alsof een geoloog ontdekt dat de theorie van de continentverschuiving niet klopt. Voldoende reden dus voor een groot artikel in The Astrophysical Journal. Want wie verleden en toekomst van de kosmos wil kennen, moet op z'n minst de uitdijingsgeschiedenis goed begrijpen.

Dat het heelal uitdijt, weten sterrenkundigen al bijna honderd jaar. Al sinds de oerknal, zo'n 13,8 miljard jaar geleden, neemt de lege ruimte steeds meer ruimte in beslag. Sterrenstelsels worden van elkaar weggeduwd als krenten en rozijnen bij het bakken van een paasstol - een mooie vergelijking, waarbij het rijzende deeg de uitdijende ruimte voorstelt. Alle afstanden in het heelal nemen dus toe, en hoe verder twee sterrenstelsels van elkaar af staan, hoe sneller hun onderlinge afstand groeit.

Noodkreet

Twintig jaar geleden, in 1998, slaakte Adam Riess ook al een noodkreet over de uitdijing van het heelal. Toen ontdekte zijn onderzoeksteam dat die uitdijing in de afgelopen paar miljard jaar steeds sneller verliep. Een concurrerend team kwam in datzelfde jaar tot precies diezelfde conclusie. De beide teamleiders ontvingen in 2011 de Nobelprijs Natuurkunde voor hun ontdekking van de versnellende uitdijing van het universum - waarschijnlijk het gevolg van een mysterieuze donkere energie in de lege ruimte. En nu trekt Nobelprijswinnaar Riess dus opnieuw aan de bel: nou gaat het weer té snel allemaal.

Niet dat je er in het dagelijks leven iets van merkt. Afstanden in het heelal nemen toe met ongeveer eenhonderdste procent in anderhalf miljoen jaar. Als een ver sterrenstelsel nú op honderd miljoen lichtjaar staat, komt daar elke anderhalve eeuw één lichtjaar bij. Binnen ons eigen Melkwegstelsel speelt de uitdijing van het heelal al helemaal geen rol van betekenis. Het is dan ook niet makkelijk te meten allemaal - vraag maar aan Riess. Maar zijn nieuwste waarnemingen geven wel aan dat het bijna 10 procent sneller gaat dan verwacht. En niemand weet hoe dat komt.

Maar wacht even - wat verwacht je dan? Hoe weet je met welke snelheid het heelal hoort uit te dijen? Simpel: dat blijkt uit metingen aan de kosmische achtergrondstraling, de zwakke nagloed van de oerknal. De Europese ruimtetelescoop Planck heeft de minieme temperatuurvariaties in die achtergrondstraling heel precies in kaart gebracht. Als je weet uit welke ingrediënten het heelal bestaat (atomen en moleculen, donkere materie, donkere energie), kun je daaruit heel exact berekenen wat de huidige uitdijingssnelheid moet zijn. Tot op een procent nauwkeurig.

Adam Riess. Beeld anp

Nieuwe ideeën

Dat kun je dus ook omdraaien, dachten Riess en zijn collega's. Als je de huidige uitdijingssnelheid heel nauwkeurig kunt meten, dan kun je het resultaat vergelijken met de 'voorspellingen' van Planck. Als het niet klopt, is er misschien iets mis met die kosmische ingrediëntenlijst waar de voorspellingen op gebaseerd zijn. Dan moeten we vraagtekens gaan zetten bij het favoriete standaardmodel van de kosmologie. Wie weet is het tijd voor compleet nieuwe ideeën over donkere energie en donkere materie - onbekende deeltjes die je niet kunt zien maar die wel zwaartekracht uitoefenen.

Meten dus. Zo nauwkeurig mogelijk. Maar hoe doe je dat? Hoe bepaal je de uitdijingssnelheid van het heelal? Voor een bomvolle zaal collega's legde Riess het in Washington toch nog maar een keer uit. Er is niet echt één kosmische uitdijingssnelheid, in kilometers per seconde of zo. Nee, het gaat om die eerder genoemde procentuele groei. Grote afstanden nemen daardoor sneller toe dan kleine. Dus je moet voor een flink aantal sterrenstelsels twee metingen doen: op welke afstand staan ze, en met hoeveel kilometer per seconde neemt die afstand toe? De verhouding tussen die twee is de enige juiste maat voor de uitdijingssnelheid van het heelal.

Gelukkig is een van die twee metingen heel rechttoe-rechtaan. Door de uitdijing van het heelal lijkt een ver sterrenstelsel van ons weg te vliegen. De snelheid waarmee dat gebeurt, verraadt zich in een subtiele kleurverandering van het licht. Hoe sneller de afstand van het verre stelsel toeneemt, des te roder kleurt het licht dat we van dat stelsel hier op aarde ontvangen. Die roodverschuiving is vergelijkbaar met het bekende dopplereffect bij geluid: de sirene van een ambulance klinkt lager naarmate die zich sneller van ons verwijdert.

Afstanden in het heelal nemen toe met ongeveer eenhonderdste procent in anderhalf miljoen jaar. Als een ver sterrenstelsel nú op honderd miljoen lichtjaar staat, komt daar elke anderhalve eeuw één lichtjaar bij. Binnen ons eigen Melkwegstelsel speelt de uitdijing van het heelal al helemaal geen rol van betekenis. Beeld anp

Voorspellingen kloppen niet

Veel moeilijker is het om de afstand van een sterrenstelsel te meten. Ja, als elk sterrenstelsel precies evenveel licht zou uitstralen, was het niet zo ingewikkeld: de waargenomen helderheid aan de hemel vormde dan een nauwkeurige indicatie voor de afstand. Maar sterrenstelsels zijn er in allerlei soorten, maten en lichtsterktes. Het is alsof je in een nachtelijk landschap staat, met overal straatlantaarns in de verte. Als die niet allemaal hetzelfde vermogen aan licht uitstralen, heb je natuurlijk geen idee over hun werkelijke afstanden: een lamp van 100 watt op een kilometer afstand ziet er even helder uit als een schijnwerper van 2.500 watt op vijf kilometer.

Door in andere sterrenstelsels te kijken naar bepaalde sterren en supernova-explosies waarvan de werkelijke lichtkracht wél precies bekend is, hebben Riess en zijn collega's de afstandsbepalingen enorm sterk verbeterd. De foutmarge is teruggebracht tot minder dan 2,5 procent. Dat lukte dankzij de extreme meetnauwkeurigheid van de Hubble Space Telescope. En door die afstanden te vergelijken met de gemeten roodverschuivingen, is de huidige uitdijingssnelheid van het heelal nu ook heel precies achterhaald. Die blijkt 9 procent hoger te zijn dan je zou verwachten op basis van de Planck-metingen aan de kosmische achtergrondstraling. 'Een behoorlijk serieus verschil', aldus Riess.

Vandaar die noodkreet: help, het heelal dijt te snel uit. Of, liever gezegd: help, de voorspellingen kloppen niet, dus er is iets mis met het kosmologisch standaardmodel, want daar moet volgens Riess de oplossing gezocht worden. Mogelijkheden genoeg. Misschien bevat het heelal wel een tot dusver onbekend ingrediënt waarmee in de voorspellingen geen rekening is gehouden, zoals een nieuw type neutrino. Misschien gedraagt de mysterieuze donkere materie zich wel anders dan gedacht; ook recente metingen aan koel waterstofgas in het vroege heelal lijken daarop te wijzen. Of misschien is de al even raadselachtige donkere energie (die verantwoordelijk wordt gehouden voor de versnellende uitdijing van het heelal) niet constant, en is de versnelling zélf ook aan het toenemen.

Kosmische raadsels

Het wemelt nog van de onopgeloste raadsels.

Wat is donkere materie?
Je ziet het niet, maar het heeft wel zwaartekracht. En er is véél meer van dan van 'gewone' atomen en moleculen. Dertig jaar speuren heeft niets opgeleverd.

Wat is donkere energie?
Deze energie duwt de lege ruimte steeds verder uiteen. Gevolg: het heelal dijt in de toekomst steeds sneller uit. Maar niemand kent de ware aard en oorsprong ervan.

Hoe ontstonden de eerste sterrenstelsels?
Ja, uit samenklonterend gas. Maar hoe konden er zo kort na de oerknal al zulke grote stelsels ontstaan, met enorm zware zwarte gaten in het centrum? Alsof er vlak na het ontstaan van het leven op aarde al dinosauriërs rondliepen.

Wat was er voor de oerknal?
Of ontstond ook de tijd pas bij de oerknal, zodat die vraag betekenisloos is? Waar komen de natuurwetten vandaan? Waarom is er iets in plaats van niets? En is ons heelal uniek, of bestaat er een heel Multiversum van heelallen?

Korrel zout

Niet iedereen staat trouwens in de alarmmodus. Kosmoloog Michael Troxel van de Ohio State University maakt zich bijvoorbeeld geen zorgen. 'Het kosmologisch model, met donkere materie en donkere energie, staat als een huis', aldus Troxel, die daarmee impliceert dat de nieuwe resultaten van Riess met een korrel zout genomen moeten worden. Ook Koen Kuijken van de Leidse Sterrewacht is nog niet overtuigd van de ernst van de situatie. 'Het is een moeilijke analyse', zegt hij. 'Als ik mijn geld erop moest inzetten, zou ik gokken dat de metingen en de voorspellingen uiteindelijk toch wel met elkaar in overeenstemming zullen zijn. Aan beide kanten worden de onzekerheden in de resultaten vermoedelijk onderschat.'

Maar niemand kan eromheen dat de afstandsmetingen nooit eerder zó precies zijn uitgevoerd. En het team van Riess is ook niet van plan om op zijn lauweren te gaan rusten. 'Als de Hubble-telescoop nog vijf jaar in bedrijf blijft', aldus de Nobelprijswinnaar, 'gaan we misschien wel vijftig supernova's in andere sterrenstelsels zien. Dan kunnen we de foutmarge terugbrengen tot minder dan 1 procent.' Ook nieuwe meetresultaten van de Europese ruimtetelescoop Gaia, die eind april gepresenteerd gaan worden, zullen bijdragen aan een hogere nauwkeurigheid.

Nieuwe inzichten

Kuijken verwacht in de komende jaren vooral veel van metingen aan zwaartekrachtgolven - minieme rimpelingen in de ruimtetijd, veroorzaakt wanneer twee zwarte gaten of extreem compacte sterren in een ver sterrenstelsel op elkaar knallen. 'Die waarnemingen vertellen je meteen wat de afstand tot dat sterrenstelsel is, zonder ingewikkelde tussenstappen', zegt hij. 'Tot nu toe is dat nog maar één keer gelukt, zodat de nauwkeurigheid nog niet hoog genoeg is, maar als we in de toekomst meer van dat soort verschijnselen ontdekken, leidt dat tot een heel exacte waarde voor de uitdijingssnelheid van het heelal.'

Of er dan nog steeds zo'n groot verschil bestaat tussen metingen en voorspellingen? Riess lijkt er niet aan te twijfelen. 'Eerdere raadsels rond de uitdijingssnelheid van het heelal hebben ook steeds geleid tot opzienbarende nieuwe inzichten. We zitten nu opnieuw in een crisis. Ik ben benieuwd tot wat voor revolutionaire ontdekkingen dit zal leiden.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.