Statisch en oneindig
De maan trekt net zo hard aan de aarde, als de aarde aan de maan. Omdat de maan minder massa heeft dan de aarde versnelt ze naar haar toe en (omdat ze ook zijwaartse snelheid heeft) draait ze om haar heen. Hetzelfde geldt op een grotere schaal: de planeten draaien om de zon en de zon draait met de sterren om het zwaartemiddelpunt van ons melkwegstelsel. Op de schaal van sterren en planeten beweegt en danst het heelal.
Op de allergrootste schaal van het heelal werkt zwaartekracht anders. Lang werd gedacht dat op de schaal van sterrenstelsels (verzamelingen van sterren), het heelal statisch oftewel onveranderlijk is. Dit was wat astronomen zagen als zij met hun telescoop zo diep mogelijk het heelal inkeken. Als je uitgaat van de gravitatiewet van Newton is dat niet zo’n gekke conclusie. In een oneindig groot universum voelt een ster een even harde (oneindige) kracht in alle richtingen. Deze tegengestelde krachten heffen elkaar op en daarmee zullen sterrenstelsels niet bewegen.
Het was Albert Einstein die ontdekte dat de theorie van Newton niet werkte op de schaal van het heelal. Daarom kwam hij in 1915 met zijn algemene relativiteitstheorie. Deze bevat de Einstein field equations (EFE’s): vergelijkingen die ruwweg gezegd vertellen dat materie bepaalt hoe de ruimte buigt en tevens dat de ruimte bepaalt hoe materie beweegt. Toen Einstein deze vergelijkingen ontdekte zag het er zo uit:
Ja, een monster van een formule! Voor nu is het alleen belangrijk om te weten dat de EFE’s een heelal vol beweging voorspelden. Dit was dus in strijd met wat de astronomen in die tijd waarnamen: een eeuwig, statisch heelal. Daarom voegde Einstein een extra term toe: de kosmologische constante Λ
De kosmologische constante is een maat voor de hoeveelheid energie in een stukje vacuüm en Einstein koos deze waarde precies zo dat het heelal toch statisch was.
Het heelal heeft een begin
Alexander Friedmann, een Russische natuurkundige, was de eerste die de vergelijkingen van Einstein (zonder de factor Λ!) gebruikte en hij ontdekte in de oplossingen van de EFE’s dat het heelal aan het uitdijen of aan het krimpen was. Als het heelal uitdijt, bedacht hij, dan moet het heelal kleiner zijn geweest in het verleden. En op een zeker moment in het verleden was alles wat we vandaag waarnemen samengeperst tot een oneindig grote dichtheid. Friedmann legde hiermee de basis van het concept van de oerknal, maar er was niemand die naar hem luisterde. Zelfs Einstein verwierp deze belangrijke ontdekking.
Hier zie je weergave van de uitdijing van het heelal:
In 1930 gebruikte astronoom Edwin Hubble de krachtigste telescoop uit die tijd om sterrenstelsels en hun bewegingen in kaart te brengen. Om naar hun bewegingen te kijken, vergeleek hij de verschuivingen van spectraallijnen in het lichtspectrum van de sterrenstelsels. Waren de lijnen verschoven naar het blauw, dan bewoog het stelsel naar hem toe. Waren de lijnen verschoven naar het rood, dan bewoog het stelsel van hem af. Hij observeerde iets opmerkelijks: alle sterrenstelsels waren rood verschoven en bewogen dus van ons melkwegstelsel af. En het werd nog gekker: hoe verder de afstand d tot een sterrenstelsel, hoe groter de snelheid v waarmee het van ons af beweegt:
$v = H \cdot d$
Dit is de wet van Hubble, waarin H de constante van Hubble is. Waarom bewegen alle sterrenstelsels van ons af alsof we het centrum van het heelal zijn? Vreemd genoeg is dat precies wat je verwacht waar te nemen in een uitdijend universum; als alles van elkaar af beweegt dan lijkt het alsof sterrenstelsels verder weg sneller van je af bewegen. Het maakt niet uit op welk sterrenstelsel je jezelf neerzet. Je zou het heelal kunnen zien als een rijzende cake in de oven waarbij het deeg (de ruimtetijd) groeit en de afstand tussen de rozijnen (de sterrenstelsels) toeneemt.
De wet van Hubble geeft nog een belangrijk cadeau prijs: de leeftijd van het heelal. Als je weet dat een sterrenstelsel met snelheid v van je af beweegt en hij staat een afstand d van je vandaan, hoelang heeft hij er dan over gedaan om daar te komen? Dat vind je als je de afstand door de snelheid deelt:
$d/v = 1/H \approx 14 \: miljard\: jaar$
Natuurlijk moet je er ook rekening mee houden dat het heelal aan het begin heeft moeten versnellen om met constante snelheid te expanderen. Maar ook als je daar rekening mee houdt, kom je uit op ongeveer hetzelfde antwoord: ongeveer 14 miljard jaar geleden was het heelal samengeperst tot een oneindige dichtheid, waar tijd begon. Sindsdien is het heelal aan het groeien en daarmee had Friedmann gelijk. Instemmend haalde Einstein zijn kosmologische constante Λ uit zijn vergelijkingen.
Donkere energie
Ironisch genoeg maakte Einsteins kosmologische constante een comeback, niet omdat het heelal toch statisch is, maar omdat er iets bijzonders is aan de manier waarop het heelal uitdijt. In 1998 kregen twee teams van wetenschappers de Nobelprijs nadat zij, onafhankelijk van elkaar, ontdekten dat de uitdijing van het heelal versnelt. Het Supernova Cosmology Project en het High-Z Supernova Search Team bestudeerden supernova’s, restanten van zware sterren. Zij gebruikten type 1 supernova’s, de zogenoemde standaardkaarsen, die zo heten omdat ze alle dezelfde intrinsieke helderheid hebben. Hoe zwakker de supernova, hoe verder zij van ons is verwijderd en daarmee kan haar afstand berekend worden. Gecombineerd met de roodverschuiving van deze objecten kwamen ze erachter dat het heelal steeds sneller uitdijt. Dat ziet er zo uit:
Dit is vreemd, toch? Je zou misschien verwachten dat zwaartekracht over de jaren heen het universum weer samentrekt en daarmee de uitdijing van het heelal vertraagt. Dat is dus niet zo. Het blijkt dat er ‘iets’ is dat het heelal uit elkaar duwt. De energie die hiervoor zorgt noemen astronomen ‘donkere energie’, die 68% procent van het universum inneemt. En het is deze donkere energie die we terugzien als de kosmologische constante in de formule van Einstein. Dit keer heeft hij een positieve waarde van ongeveer 1,5 * 10-9 J/m3 .
Is de uitdijing gelijkmatig?
Astronomen hebben eigenlijk altijd aangenomen dat het heelal uniform uitdijt; in alle richtingen beweegt het universum even snel van ons af. Het sterkste bewijs hiervoor is de kosmische achtergrondstraling, het eerste licht dat na de oerknal ontstond en dat wij op aarde nog steeds kunnen waarnemen. De ‘babyfoto’ van het heelal laat zien dat er toen slechts minuscule verschillen waren in temperatuur en dichtheid. Dat zou erop kunnen wijzen dat het hedendaagse heelal redelijk homogeen is. De Isotropie Hypothese suggereert dat het heelal, op een paar lokale verschillen na, dezelfde eigenschappen heeft in iedere richting. Deze hypothese wordt in de kosmologie gebruikt om de massa en afstand van verre hemellichamen te berekenen en is ook de reden waarom we lang hebben aangenomen dat de uitdijsnelheid van het heelal isotroop is.
Recente observaties van de grote-schaalstructuren van het heelal laten echter zien dat in sommige richtingen sterrenstelsels 30 procent sneller of langzamer van ons af bewegen. Deze obervaties werden gedaan door onderzoeker Konstantinos Migkas en zijn collega’s, waarover zij in 2020 publiceerden. In het onderzoek is de temperatuur bepaald van heet gas in verzamelingen van sterrenstelsels (clusters). En daarna keek men hoe helder deze clusters aan de hemel te zien zijn. Men verwachtte dat clusters van gelijke temperatuur en afstand ongeveer even helder zouden zijn. In plaats daarvan zijn significante afwijkingen (tot wel 30%) in helderheid gevonden. Dit zou volgens de onderzoekers kunnen betekenen dat het universum niet gelijkmatig uitdijt. De oorzaak kan liggen in de donkere energie, waar nog niet zo veel over bekend is. Zoals gezegd is het een mogelijke verklaring voor de versnelde uitdijing van het heelal, maar dus ook voor onregelmatigheden in die uitdijing.
Waar we eerst dachten dat het heelal zich niet verroerde, blijkt het tegengestelde waar te zijn: sterrenstelsels bewegen zich van ons af en dat kan gebeuren door donkere energie. Het nieuwe onderzoek suggereert zelfs dat deze uitdijing niet homogeen is. Hieruit blijkt maar weer dat kosmologie een vakgebied is van verschuivende denkbeelden.
Annemarijn Zwerver
