Sterrenstelsels zijn niet symmetrisch verdeeld over het heelal. Dat blijkt uit twee onafhankelijke analyses van een miljoen sterrenstelsels. Als deze vondst klopt, zijn onze huidige theorieën over zwaartekracht en het vroege heelal onjuist.

De spiegelsymmetrie van het heelal staat op de tocht. Als we een plaatje maken van hoe sterrenstelsels over het heelal zijn verdeeld en dat beeld vervolgens spiegelen, zouden de twee in principe niet van elkaar te onderscheiden moeten zijn. Althans, als ons begrip van de grootschalige structuur van de kosmos – en de zwaartekracht – klopt.

Twee onderzoeksteams trekken dat nu in twijfel. Zij keken elk afzonderlijk naar de beste beschikbare kaart van sterrenstelsels, en ontdekten dat deze zogeheten pariteitssymmetrie niet op lijkt te gaan.

Welkom in het metaverse
LEES OOK
Welkom in het metaverse

Piramides zoeken

Beide onderzoeksteams keken naar kaarten met sterrenstelsels van het Sloan Digital Sky Survey-project. Voor hun analyses zochten ze in die kaarten naar tetraëders, ofwel piramides met drie zijkanten. Dit is de eenvoudigste 3D-vorm die afwijkt van zijn spiegelbeeld. De onderzoekers markeerden in de telescoopbeelden tetraëders waarbij op elk hoekpunt een sterrenstelsel staat.

‘Het is net als bij je handen: je kunt je rechterhand niet draaien op een manier dat je geen verschil ziet met je linkerhand’, zegt astronoom Zachary Slepian van de Universiteit van Florida, die aan een van de analyse werkte. ‘Hetzelfde geldt voor deze piramides van melkwegstelsels.’

tetraëder, of viervlak
Een tetraëder, ook wel gewoon ‘viervlak’ genoemd. Beeld: Wikipedia/Cyp, CC BY-SA 3.0.

Ongelijke groepen

Om te bepalen of er in het heelal symmetrie heerst, gingen de onderzoekers vervolgens als volgt te werk. Ze wezen eerst een primair hoekpunt aan in elk van de sterrenstelsel-tetraëders. Vervolgens verdeelden ze de tetraëders in twee groepen. De eerste groep bestaat uit vormen waarbij, als je vanaf het primaire hoekpunt naar beneden kijkt, de zijden in lengte toenemen als je met de klok mee beweegt. In de andere groep zitten piramides waarvan de zijden in lengte toenemen als je tegen de klok in beweegt.

Als in ons universum een pariteitssymmetrie heerst, zouden de twee groepen ongeveer even groot moeten zijn. Allebei de analyses toonden echter aan dat dit niet het geval is.

Scheef met grote zekerheid

Het eerste onderzoeksteam, onder leiding van kosmoloog Oliver Philcox van de Princeton-universiteit, vond een symmetrieschending met een zekerheid van 2,9 sigma. Dat betekent dat er een kans is van slechts 0,4 procent dat het gevonden patroon toevallig is ontstaan, als statistische uitschieter.

Het andere onderzoek, van Slepian, splitste de sterrenstelsels ook nog eens op in twee groepen op basis van afstand. Bij beide sorteringen vonden zij nog sterker bewijs voor symmetrieschending – bij de ene manier bereikten ze een zekerheid van 3,1 sigma, en bij de andere 7,1 sigma.

‘Deze vondst is schokkend’, zegt natuurkundige Stephon Alexander van de Amerikaanse Brown-universiteit. ‘Als het maar om één groep ging, was ik misschien sceptischer geweest, maar met twee analyses is het een stuk moeilijker weg te wuiven.’

‘Dit type analyse ontvangt veel argwaan, omdat het iets zegt over het vroege heelal, dat echt heel moeilijk te meten is’, zegt astrofysicus David Schlegel van het Berkeley-laboratorium van de universiteit van Californië. ‘Er is op het eerste gezicht niks mis met de analyses, maar ik denk dat het oordeel of dit resultaat waar is of niet nog even op zich laat wachten. Het goede nieuws is dat het zeer, zeer goed te testen valt.’

Dicht opeen

Wat heeft de hedendaagse verdeling van sterrenstelsels te maken met het vroege heelal? Dat zit zo. De sterrenstelsels zitten vandaag de dag zo ver van elkaar verspreid, dat er geen kracht bestaat die op deze afstanden aan hun symmetrie kan tornen. Maar vlak na de oerknal was de kosmos veel kleiner. Alles stond toen veel dichter bij elkaar. De kiem voor de asymmetrie zou toen dus al gelegd kunnen – en moeten – zijn.

De vondst zou niet alleen ons begrip van het jonge heelal veranderen, maar ook ons begrip van hoe het heelal zich nu gedraagt. Als de asymmetrie echt in het vroege heelal is ontstaan, ‘zou dat betekenen dat er een interactie heeft opgetreden tussen deeltjes die tot nu toe geen deel uitmaakten van ons begrip van de natuur – in feite een nieuwe natuurkracht’, zegt Slepian.

Antimaterie

Een uitbreiding van de natuurkunde kan hopelijk ook een van de grootste mysteries van het heelal verklaren: waarom het heelal vooral uit materie bestaat, in plaats van evenveel materie als antimaterie. Als er meer materie dan antimaterie is ontstaan, moet er iets zijn geweest dat de symmetrie schendt, zegt Philcox.

Er zijn enkele theorieën die het verschil tussen materie en antimaterie proberen te verklaren. Die introduceren nieuwe velden en deeltjes in het vroege heelal om de ongelijkheid voor elkaar te krijgen. De nieuwe analyses beslechten de strijd tussen deze concurrerende theorieën echter niet.

Bevestiging vereist

Sowieso moet éérst deze vondst worden gecontroleerd – daar zijn alle onderzoekers het over eens. Een manier om dat te doen is de analyses te herhalen op andere, grotere kaarten van het heelal. Die worden in de komende paar jaar gemaakt.

Maar om écht zeker van hun zaak te zijn, moeten astronomen ook met andere onderzoeksmethoden hetzelfde resultaat vinden. ‘Als er echt een symmetriebrekend mechanisme op kosmologische schaal bestaat, komt het waarschijnlijk niet alleen in de grootschalige structuren van sterrenstelsels naar voren, maar ook in de kosmische achtergrondstraling en zelfs in zwaartekrachtgolven’, zegt Hou.

Als de asymmetrie in het heelal echt klopt, zullen astronomen de strijd aangaan om als eerste uit te vogelen welke vreemde fysica ons heelal scheef heeft gemaakt.