Messier 8, ook bekend als Lagoon Nebula, is een gigantische wolk gas en stof op 4000 lichtjaren van de aarde, waaruit nieuwe sterren ontstaan.

Wetenschap Sterrenkunde

Hoe snel het heelal uitdijt? Wetenschappers weten het niet precies

Messier 8, ook bekend als Lagoon Nebula, is een gigantische wolk gas en stof op 4000 lichtjaren van de aarde, waaruit nieuwe sterren ontstaan. Beeld Nasa

Volgens de ene telescoop dijt het heelal sneller uit dan volgens de andere. Sterrenkundigen kunnen dit verschil niet verklaren. 'Dit is spannend. Hier kan nieuwe natuurkunde uit voortkomen.’

Het was een prachtig beeld waarin alle stukjes op hun plaats leken te vallen. In 2013 gaf het onderzoeksteam van de ruimtetelescoop Planck zijn meetresultaten prijs, verpakt in de foto van wat het babyheelal is gaan heten. Als een icoon ging het beeld de wereld rond. Het patroon van gele en blauwe spikkels gaf de variatie in de zogenoemde kosmische achtergrondstraling weer, het nagloei-effect van de oerknal. Aan die foto had het team van alles kunnen aflezen. Ze wist te vertellen dat het heelal 13,8 miljard jaar oud was, hoeveel atomen er in die begintijd waren en hoe snel het uitdijde. Waardes die goed overeenkwamen met wat uit andere metingen was gebleken.

Zo werd het misschien gebracht, zegt Léon Koopmans, astronoom aan de Rijksuniversiteit Groningen. “Maar eigenlijk liepen de waardes voor de uitdijing van het heelal toen al flink uiteen. Uitgedrukt in de Hubble-constante (zie kader) kwam Planck uit op 68, terwijl andere experimenten, zoals die van ons, rond de 73 zaten. Maar dat kon aan de onnauwkeurigheden van de metingen liggen. Statistisch gezien kon je het verschil nog net wegpraten. En we hebben in de wetenschap vaker meegemaakt dat zo’n discrepantie bij nader onderzoek verdwijnt. Dus echt zorgelijk was het toen nog niet.”

Foutenmarges overlappen elkaar niet meer

De metingen zijn de afgelopen jaren flink verbeterd, waardoor de foutenmarges een stuk kleiner zijn geworden. Koopmans: “Met als gevolg dat die marges elkaar niet meer overlappen. De waarden liggen nu echt uiteen, het verschil is te groot om het nog aan een toevalligheid te kunnen wijten. We hebben een reëel probleem, iedereen heeft het nu over fricties in de kosmologie.”

Waarin dijt het heelal uit?

Een eeuw geleden ontdekten de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble en zijn Belgische collega Georges Lemaître onafhankelijk van elkaar dat het heelal uitdijt. Als een kosmische krentenmik blaast het heelal zichzelf op. De afstanden tussen sterren worden gestaag groter, net als tussen de krenten in het rijzende beslag. Hoe verder een sterrenstelsel van de aarde af staat, des te sneller verwijdert het zich. De verhouding tussen snelheid en afstand wordt weergegeven door de Hubble-constante.

De grootte van deze constante wordt uitgedrukt in kilometer per seconde, per Megaparsec. Een Megaparsec is een veelgebruikte afstandsmaat in de sterrenkunde en komt overeen met 3,26 miljoen lichtjaar. Hubble zelf berekende dat die verhouding 500 km/sec per Megaparsec was. Die schatting bleek te hoog; de Hubble-constante wordt nu geschat op rond 70 km/sec per Megaparsec.

En dan nog dit: als het heelal uitdijt, waarin dijt het dan uit? Nergens in. Het is de ruimte zelf die uitdijt. Hier schiet ons voorstellingsvermogen tekort. Bij het beeld van het rijzende krentenbrood zien we automatisch het deeg uit zijn bakvorm omhoogkomen. We plaatsen onszelf erbuiten. Maar als het om het heelal gaat, zitten we er middenin.

Vergelijk het met een gestippelde ballon die wordt opgeblazen. Een mier die over de ballon loopt en geen besef heeft van hoogte, ziet de stippen uiteen gaan, kan nog bedenken dat het ballonvel uitdijt, maar heeft ook geen voorstelling waarin.

Het is curieus, zegt astronoom Henk Hoekstra van de Universiteit Leiden. “Ik heb nog meegemaakt dat de sterrenkunde debatteerde of de Hubble ergens rond de 50 lag of toch groter dan 100 zou kunnen zijn. Nu zitten alle metingen rond de 70. Kosmologen van het eerste uur zouden zeggen: Prachtig, waar klagen jullie over? Maar dit is juist spannend. Kleine, onverklaarbare verschillen in meetresultaten hebben al eens eerder de aanzet gegeven tot nieuwe fysica. De quantummechanica en de relativiteitstheorie zijn zo ook ontstaan.”

Er is geen meetlint  naar de sterren

Het zou natuurlijk kunnen dat het verschil wordt veroorzaakt door een systematische fout in de metingen. Je maakt altijd aannames, zegt Hoekstra. “Om de uitdijing te meten moeten we de afstanden tot sterren weten. Maar we kunnen geen meetlint naar zo’n ster uitleggen, we moeten de afstand herleiden uit bijvoorbeeld de sterkte van het lichtsignaal. Daarvoor moet je weer weten over wat er onderweg met het licht is gebeurd. Is het signaal verzwakt door een gaswolk? Hoeveel licht vangt mijn telescoop precies op? Geloof maar gerust dat tal van groepen al die metingen aan het napluizen zijn.”

De twee astronomen verwachten niet dat daar de oplossing gevonden wordt. De foutenmarges zijn kleiner geworden, zegt Koopmans, maar de waarden zijn gelijk gebleven. “De controverse zit hem tussen enerzijds de directe metingen, die de uitdijing in het nabije heelal meten, en de aanpak van Planck waarbij de uitdijing wordt herleid uit metingen aan het vroege heelal. En er zijn diverse directe metingen. Wij kijken bijvoorbeeld naar zwaartekrachtlenzen, wat een heel andere aanpak is dan metingen met supernova’s. Toch komen we op hetzelfde uit.”

Planck is de enige die met zijn waarde voor de Hubble-constante afwijkt, zegt ook Hoekstra. “Maar ook de metingen van Planck zijn heel goed.” Wat zou betekenen dat er gesleuteld moet worden aan het kosmologisch model dat op die metingen is gebaseerd. Daar zitten volgens Koopmans ook aannames in. “Het Planck-team doet graag voorkomen dat uit hun metingen volgt dat het heelal vlak is, en niet gekromd, zoals het oppervlak van de aarde. Die vlakheid hebben ze er zelf ingestopt om met hun Hubble-constante in de buurt te komen van de gemeten waarde. Maar ik geef toe: als je aan de vlakheid tornt, creëer je nieuwe problemen.”

Je moet wel aan de goede knoppen  draaien

Het is een heel consistent model, vindt Hoekstra. “Daar kun je niet zomaar iets aan veranderen.” Hij legt uit hoe het geelblauwe patroon de massaverdeling in het vroege heelal weergeeft. Het zijn drukgolven, zegt hij. “Zeg maar geluidsgolven. Je kunt er de grondtoon in herkennen, en boventonen. Net als een instrument heeft dit vroege heelal zijn eigen timbre. En zoals elke trommel anders klinkt met een andere spanning of dikte van het trommelvel, zo kun je het model van het heelal stemmen door aan de goede knoppen te draaien.”

Het mooie is: hij heeft aan zes knoppen – parameters – genoeg. “De Planck-gegevens zijn voldoende rijk om er een model met honderd parameters op te bouwen. Maar we kunnen het beeld al heel precies beschrijven met zes stuks. Zoals de hoeveelheid massa die in atomen zat of de korreligheid van het beeld.” Eenvoud is waar wetenschappers naar streven, vervolgt hij. “Maar die eenvoud had wel zijn prijs. Van twee parameters, de donkere materie en de donkere energie, begrijpen we niets.”

Donkere energie drijvende kracht achter de uitdijing

Donkere materie en donkere energie, het zijn precies de aandachtsgebieden in het onderzoek van Hoekstra. Zit daar dan het losse draadje waarmee de knoop kan worden ontward? De donkere energie is in het model de drijvende kracht achter de uitdijing. Zonder donkere energie zou het heelal na de oerknal, na een periode van uitdijing, weer ineen moeten storten. Alle massa’s van sterren trekken elkaar immers aan. Zoals een bal die omhoog wordt gegooid, vroeg of laat weer op de grond valt, zo zou alle massa in het heelal de uitdijing moeten tegenwerken. Maar nee, twintig jaar geleden werd ontdekt dat het heelal versneld uitdijt. Om dat te verklaren is de donkere energie ‘uitgevonden’.

Het is een vrij simpele term die het heelal overal op dezelfde manier opblaast. Een goede theorie voor wat het is, bestaat nog niet. “Er is dus veel vrijheid om aan de donkere energie te sleutelen”, zegt Koopmans. “Maar je moet het wel heel bont maken om het gewenste effect voor de Hubble-constante te bereiken.” Je kunt er ook niet ongestraft aan sleutelen, zegt Hoekstra. “Dat leidt tot inconsistenties. Je kunt met een extra term in de donkere energie het ene probleem misschien wel onder het tapijt vegen, maar geheid dat er aan de andere kant nieuwe problemen opstuiven.”

Geen antwoorden? ‘Dan is het heelal op’

Niettemin, in 2022 wordt Euclides gelanceerd, een ruimtetelescoop die de uitdijing op grote afstanden, dus ver terug in de tijd gaat meten. Hoekstra verwacht dat Euclides de kosmische structuren zo gedetailleerd in kaart zal brengen dat de ware aard van de donkere energie naar boven komt. “Het moet ook wel”, zegt hij. “Euclides zal, voor zover dat mogelijk is, het hele zwerk aftasten. Als dat geen antwoorden oplevert, houdt het op. Dan is het heelal op.”

De Hubble-constante: hoe meet je zoiets?

Voor een precieze meting van de Hubble-constante moet je de afstand tot het sterrenstelsel weten en diens snelheid. Dat laatste is vrij exact te doen met hulp van de zogeheten roodverschuiving. Net zoals een trein na het passeren lager klinkt, zo kleurt het licht van een ster die zich verwijdert, rood. Uit de mate van roodverschuiving volgt direct de snelheid.

De afstand is een dingetje. Dat lichtpuntje aan de hemel, is dat een zwakke, maar nabije ster? Of een krachtige straler op grote afstand? Dat valt niet te zeggen.

Een uitzondering op deze regel zijn de Cepheïden, een groep veranderlijke sterren. Ze zijn zeer groot en krachtig – 5 tot 20 keer zo zwaar als de zon en tot wel 100.000 keer zo helder. En ze pulseren, zowel in grootte als in temperatuur. Wat ze interessant maakt is dat aan de periode van deze pulsen direct valt af te leiden hoeveel licht ze uitzenden. Als je dat weet, kun je met hun relatieve helderheid vrij exact bepalen op welke afstand ze staan. Hubble en Lemaître gebruikten Cepheïden voor hun metingen.

Maar er zitten beperkingen aan. Zo zijn er meer types Cepheïden, en bij de andere types (anders dan type 1) is de relatie tussen periode en helderheid niet zo scherp. Bovendien moet je goed weten wat er met het licht op zijn reis naar de aarde is gebeurd. Passeerde het een stofwolk, dan lijkt de ster hier minder helder en dus verder weg te staan.

Een tweede groep kosmische kilometerpaaltjes zijn de supernova’s. Dat zijn sterexplosies en hier gaat het om het meest voorkomende type: 1A. Dat zijn dubbelsterren – een witte dwerg en een rode reus – waarbij de eerste massa van de andere snoept. De witte dwerg groeit en zal bij een massa van 1,4 zonnen door de zwaartekracht imploderen. Dat wekt door de hitte weer een kernreactie op waardoor de ster explodeert. De enorme lichtflits en het nagloeien zijn niet alleen goed waarneembaar. Omdat de massa van de ster zo goed als vast ligt, valt ook goed te beschrijven wat daar gebeurt zodat deze supernova een goede maat vormt voor de afstand tot de aarde.

Omdat in die berekening van de afstand enkele aannames zitten, proberen sommige astronomen een andere route: de zwaartekrachtlens. Als licht van een ver verwijderd maar krachtig hemelobject langs een groot sterrenstelsel scheert, zal het door diens zwaartekracht worden afgebogen. De weg links van dat stelsel verschilt net iets van de route langs de andere kant, of langs een ander stelsel. Het licht komt daardoor op verschillende momenten aan. Aangezien de bron vaak een wisselende sterkte heeft, kunnen astronomen het tijdsverschil precies aflezen. In dat verschil zit de uitdijing van het heelal verstopt.

De vraag is ook vanaf de oerknal te benaderen. Of beter gezegd, het nagloeien ervan, de zogeheten kosmische achtergrondstraling. Dat is het oudste licht, dat nog steeds rondwaart en van alle richtingen de aarde bereikt. Uit minieme variaties in dat licht is af te leiden hoe het universum er toen, 380.000 jaar na de oerknal, uitzag. De grootte, de verdeling van de massa, de hoeveelheid atomen. Met die gegevens kun je een model maken van de evolutie van het heelal. En uit dat kosmologisch model volgt de Hubble-constante.

Lees ook:

Dit jaar ging de Nobelprijs voor de natuurkunde naar de fysicus die aan de wieg van het kosmologisch model stond

Jim Peebles gaf de wereld een nieuwe kijk op het ontstaan van het universum 

Duizenden ogen op het vroegste heelal

SKA Radiotelescoop onderzoekt het duistere universum, toen er nog geen sterren waren

Meer over

Wilt u iets delen met Trouw?

Tip hier onze journalisten

Op alle verhalen van Trouw 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@trouw.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden