Het heelal is niet meer te stoppen/STERRENKUNDE

Een bungeespringer duikt van het platform af. Eerst gaat het sneller en sneller naar de grond toe, dan begint het elastiek zich te spannen. Twee astronomen volgen het allemaal met stopwatch en verrekijker. “Wat gaat hij nog snel”, zegt de een, vooral met theoretisch talent gezegend, als de springer een stuk gevallen is. “Ik hoop niet dat het elastiek te slap is. Maar als het goed is komt hij net voordat hij de grond raakt tot stilstand. Als er iets anders gebeurde zou dat onbegrijpelijk zijn. Hij is trouwens nog niet zo dicht bij de grond als het lijkt.” De ander kijkt nog eens goed en zegt: “Van bungeespringen heb ik weinig verstand, maar hij vertraagt niet genoeg. Dit wordt heel naar.”

Op de wintervergadering van de American astronomical society, eind vorige week in Washington, hebben astronomen van het waarnemende soort de theoretische kosmologen een leuk probleem bezorgd. Ze toonden overtuigend aan dat het heelal in zijn uitdijing, aan de gang sinds de oerknal, te weinig vertraagt om op de zeer lange duur tot stilstand te komen. Veel te weinig. En dat betekent dat het favoriete model van de kosmologie minstens een flinke verbouwing nodig heeft, en misschien zelfs wel moet worden afgedankt.

Het elastiek in de bungeesprong die het heelal al ongeveer vijftien miljard aan het maken is, wordt gevormd door de zwaartekracht. Elk melkwegstelsel is door de zwaartekracht verbonden met elk ander melkwegstelsel, en die gecombineerde aantrekkingskracht werkt het groeien van de ruimte tussen al die stelsels tegen. Die kracht kan in principe zelfs genoeg zijn om de uitdijing op termijn om te laten slaan in een inkrimping.

Wat er op de lange duur met het heelal gebeurt, hangt af van een paar getallen: hoe snel gaat de uitdijing nu, hoe groot is het heelal nu en hoeveel massa zit er in? Die laatste twee getallen hangen in de kosmologie met elkaar samen: het getal dat vorige week in het nieuws kwam is de zogeheten kosmische massadichtheid, de massa per kubiek lichtjaar.

Om niet met lastige grote getallen te hoeven werken, praten de sterrenkundigen liever over VM (spreek uit: omega-M), de verhouding tussen de werkelijke massadichtheid van het heelal en de kritische massadichtheid. Als het heelal meer dan die kritische dichtheid heeft (VM groter dan 1) zal de uitdijing gevolgd worden door een inkrimping, als bij een bungeespringer met een prima elastiek. Misschien is het heelal dan zelfs wel een oscillerend heelal, dat heen en weer wiebelt tussen de uitersten van oerknal en uitgestrektheid.

Is VM kleiner dan 1, dan gaat de uitdijing altijd door, waar je in het voorbeeld van de bungeejumper niet aan moet denken. Dan wordt het heelal alleen maar groter en ouder. Op den duur raakt in de melkwegstelsels al het gas om sterren te vormen op en branden zelfs de laatste sterren op, waardoor er een koude leegte overblijft waarin hier en daar alleen nog zwarte gaten en radiogolven rondwaren.

En is VM gelijk aan 1, dan gaat de uitdijing steeds langzamer, uiteindelijk onmerkbaar langzaam, en van terugvallen komt het nooit. Ook dan verloopt het tij in de richting van een saai en koud heelal, maar duurt hetlanger voor het zover is. Een bungeespringer kan dit hoogstens imiteren door vlak bij de grond, als hij net even stilhangt, het elastiek los te laten en stokstijf te blijven staan.

In de kosmologie is zo'n kunstgreep niet nodig vanwege een speciale eigenschap van het gebruikte 'elastiek': de zwaartekracht trekt zwakker naarmate de afstand groter wordt. In een 'kritisch heelal' is de zwaartekracht van alle massa precies afgestemd op de eigen verzwakking.

Hoe sterk is de zwaartekracht vandaag de dag nog, en is dat genoeg om het uitdijen van het heelal te stoppen? Verscheidene groepen waarnemers kwamen in Washington met resultaten die erop wijzen dat de zwaartekracht niet sterk genoeg is. Hun gezamenlijke verhaal is extra sterk omdat het gebaseerd is op drie heel verschillende methoden, die gebruik maken van verschillende hemellichamen in het verre heelal.

Twee groepen keken naar ver weg gelegen hemellichamen en vergeleken hun snelheden. Een ster die ver weg staat, zien we door de uitdijing van het heelal steevast met grote snelheid van ons wegvliegen. En hoe verder hij weg staat, hoe sneller dat gaat. Die snelheid is relatief eenvoudig te meten, doordat het licht van de ster er roder door wordt, net zoals de sirene van een wegrijdende brandweerauto lager klinkt.

Een ster die ver weg staat wordt vanaf de aarde bovendien gezien zoals hij er eigenlijk al lang geleden bij stond, doordat het licht er miljarden jaren over heeft gedaan om bij de aarde te geraken. Die twee dingen zijn te combineren: als je de mate van uitdijing van het heelal weet op verschillende tijdstippen in het verleden, dan kun je kijken hoe snel die uitdijing vertraagt, en dus hoe sterk het elastiek is.

Het moeilijke punt is de afstandsmeting (die dus ook een tijdmeting is). Hoe moeilijk, bleek de afgelopen jaren wel, toen onderzoekers uit dergelijke metingen een leeftijd voor het heelal afleidden die minder was dan de leeftijd van de oudste sterren die we in de Melkweg denken te zien. Maar de onderzoekers die in Washington hun resultaten aankondigden hadden het wat gemakkelijker: je kunt hun berekeningen ook al maken als je de afstanden tussen de door hen bestudeerde objecten niet precies weet, maar wel kunt zeggen dat het ene twee keer zover weg staat van de aarde als het andere.

Saul Perlmutter van het Lawrence Berkeley national laboratory en Peter Garnavich van het Harvard-Smithsonian center for astrophysics bestudeerden supernova's in ver afgelegen melkwegstelsels. Supernova's zijn ontploffende sterren die een paar weken lang even helder kunnen schijnen als een heel melkwegstelsel bij elkaar. Nooit zijn individuele sterren op grotere afstand bestudeerd dan deze.

Behalve die grote afstand heeft het soort supernova's dat deze astronomen gebruiken nog een onmisbaar voordeel: als ze op hun top zijn stralen ze allemaal ongeveer evenveel licht uit. Dat maakt het mogelijk om aan de hand van hun helderheid in een telescoop op aarde iets over de afstand te zeggen. En samen met de roodverschuiving levert dat voldoende informatie op voor een bepaling van VM.

Op soortgelijke manier vergeleek Ruth Daly van de Universiteit van Princeton de grootte aan de hemel van bepaalde sterrenstelsels. Waarnemingen met radiotelescopen van die stelsels levert een felle centrale punt op en twee enorme lobben aan weerskanten. Die lobben zijn de plekken waar enorme stralen gas botsen met het stof en gas in de omgeving van het stelsel. De afstand ertussen schijnt constant te zijn, en hoe kleiner die lijkt, hoe verder het stelsel weg moet staan.

Een heel andere, meer op de theorie van de vroege kosmos gebaseerde aanpak was die van Neta Bahcall, ook van Princeton. Zij redeneerde dat clusters, grote groepen melkwegstelsels, volgens de theorie ontstaan uit kleine oneffenheden in de verdeling van de materie kort na de oerknal. Dat zijn de plekken waar de zwaartekracht het eerst vat krijgt op de materie, waar massa kan concentreren zodat het nog meer massa aantrekt.

Als er in die vroege tijd veel massa in het heelal is, dan hebben die oneffenheden weinig effect, en zullen clusters pas laat ontstaan. Wie ver weg kijkt met zijn telescoop, naar vroeger en vroeger in het heelal, moet dus al gauw minder en minder clusters zien. Maar Bahcall ziet er nog een hele hoop! Dus was er niet zo heel veel massa in het heelal en is VM dus zeker niet gelijk aan 1.

Tot diezelfde conclusie kwamen Perlmutter en Garnavitch: VM is eerder iets rond de 0,2 en dat is dus lang niet genoeg om het heelal netjes kritisch te maken: wat het in de verre toekomst zal doen lijkt zelfs niet op een bungeejump.

Maar dat is een akelig probleem voor de theoretische kosmologen, want die hebben zich de laatste jaren behoorlijk aangewend het heelal wel in die termen te beschrijven. En met een goede reden: om allerlei waargenomen eigenschappen van het heelal te verklaren hebben ze veel gehad aan een theorie die 'inflatie' heet, en die zegt dat kort na de oerknal het heelal een korte maar extreem snelle expansie heeft doorgemaakt, voordat de veel rustiger uitdijing van nu begon: de bungeespringer is met een kanon omlaaggeschoten. En de wiskunde van dat samenspel van kanon en elastiek leidt tot de bijna onontkoombare uitkomst dat de springer precies de kritische vertraging moet hebben.

Maar die heeft hij dus niet. Wat nu? De meest voor de hand liggende optie is natuurlijk de theorie repareren. Dat heeft zijn aantrekkelijke kanten. In een heelal dat minder vertraagt dan we dachten, moeten we alle bewegingen die we zien anders interpreteren, en een van de gevolgen is dat die lastige leeftijdsmetingen van het heelal, te jong voor de oudste sterren die we zien, een stuk hoger uitvallen.

Probleem verdwenen! Martin Bucher van de universiteit van New York in Stony Brook presenteerde in Washington een uitwerking van een tweetrapsmodel van de inflatie, dat hij de laatste jaren heeft ontwikkeld. Dat model kan desgewenst een lage VM opleveren.

Maar zoals het een goede theorie betaamt doet zijn model ook nog andere voorspellingen, die door waarnemingen kunnen worden getoetst. Die voorspellingen betreffen bepaalde fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling. Komende satellietmissies, de MAP van de Nasa en de Planck-satelliet van de ESA, kunnen zien of deze uitweg begaanbaar is.

Is hij dat niet, dan zal de kosmologie zich toch echt weer moeten bekeren tot de kosmologische constante, de constante die Einstein in zijn vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie opnam om te zorgen dat er een stilstaand heelal uit zou komen. Niemand wist toen namelijk nog dat wat die vergelijkingen zonder die constante voorspelden, een uitdijend of inkrimpend heelal, geheel conform de werkelijkheid was.

Sindsdien staat de kosmologische constante bekend als 'Einsteins grootste blunder' - hij noemde het zelf zo. Maar de inflatietheorie zou een kosmologische constante met open armen ontvangen. In de vergelijkingen daarvan zou dan naast de VM een tweede symbool verschijnen, de VL, en zo lang die twee opgeteld maar 1 zijn, is er niets aan de hand. Ondertussen doet de massa gewoon zijn massawerk en niet meer dan dat en vertraagt de uitdijing van het heelal dus precies zoals we vandaag de dag meten.

Het belangrijkste praktische gevolg van het niet nul zijn van de kosmologische constante komt pas in de verre toekomst. Dan is de massa in het heelal over een zodanig enorm volume uitgesmeerd, dat de zwaartekracht niets meer te vertellen heeft. VL regeert dan op zijn eentje, en zorgt voor een steeds sneller gaande uitdijing van het heelal. Die bungeejumper komt in Australië weer boven en verdwijnt het heelal in. Maar daar is dan ruimte genoeg.

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw rust uiteraard copyright.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@trouw.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden