In de kosmologie heersen momenteel twee grote problemen: de uitdijingssnelheid van het heelal is niet goed vast te stellen en het heelal lijkt niet in alle richtingen hetzelfde te zijn. Schommelingen in de structuurverdeling op grootste schaal zouden beide problemen in één klap kunnen oplossen, stellen sterrenkundigen.

Op kleine schaal is de structuur in het heelal allesbehalve netjes verdeeld. Op sommige plekken is een heleboel spul samengeklonterd, op andere plekken is er vrijwel niets. Dat komt doordat donkere materie niet evenwichtig over het heelal is verdeeld en daardoor op de ene plek meer materie heeft bijeengebracht dan op de andere.

Op grotere schaal is dat anders. Gebieden die vele miljarden lichtjaren uit elkaar staan, hebben geen invloed op elkaar. Ze staan zo ver uit elkaar, dat signalen geen tijd hebben gehad om van het ene gebied naar het andere te reizen. Zulke gebieden liggen buiten elkaars ‘horizon’. Op deze schaal is de structuur in het heelal daarom een stuk netter verdeeld.

Op jacht naar geluk
LEES OOK
Op jacht naar geluk

Toch zijn er zelfs schommelingen in de structuurverdeling die zich uitstrekken tot voorbij de horizonschaal (zie kader ‘Voorbij de horizon‘). Deze zogeheten superhorizon modes zouden twee grote kosmologische problemen kunnen oplossen, stelt een team van astrofysici onder leiding van Prabhakar Tiwari van de Chinese wetenschapsacademie.

Anisotropie

Ten eerste is er het probleem van de anisotropie. Een belangrijk kosmologisch principe is dat het heelal er op grote schaal in alle richtingen hetzelfde uit moet zien, oftewel isotroop moet zijn. Toch zijn er de afgelopen jaren metingen geweest die tegen dit principe in lijken te gaan.

superhorizon modes
Superhorizon modes zijn schommelingen in de structuurverdeling van het heelal die groter zijn dan het waarneembare heelal (hier weergegeven als de blauwe ellips). Beeld: Prabhakar Tiwari.

Als je de superhorizon modes in de vergelijkingen meeneemt, verklaart dat volgens Tiwari’s team deze tekenen van anisotropie. Deze grootschalige schommelingen zijn immers per definitie niet isotroop. Dat komt doordat ze zeer kort na de oerknal zijn ontstaan, voordat het heelal zijn isotropie verkreeg.

Hubblespanning

Een nog prangender probleem in de kosmologie is de hubblespanning. Deze term duidt op de huidige onenigheid over de snelheid waarmee het heelal uitdijt. Metingen aan de snelheid waarmee sterrenstelsels bij ons vandaan bewegen, geven een andere waarde dan metingen aan de kosmische achtergrondstraling, de straling die vlak na de oerknal is ontstaan.

Het team van Tiwari meent dat het meenemen van superhorizon modes in de berekeningen ook deze meetverschillen kan wegpoetsen. De anisotropie die de grootschalige schommelingen veroorzaken, zou volgens hen namelijk tot merkbare verschillen in uitdijingssnelheid leiden, afhankelijk van in welke richting je kijkt.

Sporen in straling

Kosmoloog Rien van de Weijgaert van de Rijksuniversiteit Groningen noemt de koppeling tussen de superhorizon modes en de hubblespanning een ‘interessant idee’. ‘In principe zou het kunnen, maar om de grote verschillen in de metingen te verklaren heb je wel een flinke anistropie nodig in de uitdijing van het heelal. Daarmee zouden veel andere waarnemingen moeilijk te verklaren zijn’, zegt hij.

Als de uitdijing van het heelal inderdaad niet in alle richtingen hetzelfde is, zou je daarvan namelijk sporen moeten zien in de kosmische achtergrondstraling. Ruim een halve eeuw geleden werd ontdekt dat de gemiddelde temperatuur van de straling aan de noordelijke hemel ietwat verschilt van de gemiddelde temperatuur aan de zuidelijke hemel. Dat zou je kunnen opvatten als zo’n aanwijzing voor anisotropie in de uitdijing. Inmiddels is dit verschil echter succesvol verklaard door de snelheid waarmee de Melkweg en de sterrenstelsels om ons heen richting bepaalde structuren in het heelal bewegen.

Daarmee lijkt de uitdijing van het heelal op de grootste schaal die we kunnen waarnemen toch behoorlijk isotroop. En dus is het volgens Van de Weijgaert onwaarschijnlijk dat de superhorizon modes zoveel invloed uitoefenen, dat ze de hubblespanning kunnen wegnemen.

Hoe kunnen we dit zeker weten? Van de Weijgaert: ‘Sommige kosmologen beweren dat er in metingen van bepaalde supernova’s aanwijzingen zijn voor een flinke anisotropie in de uitdijing van het heelal. Veel anderen zijn sceptisch over die analyse. Maar je zou nog eens goed kunnen kijken in die data of er wellicht toch sprake is van een anisotropie. Dat zou wel gaaf zijn!’

Voorbij de horizon
Astronomen hebben zelf ook te maken met een kosmische horizon. Die bevindt zich op zo’n 42 miljard lichtjaar afstand. Dat is de afstand die lichtdeeltjes sinds de oerknal hebben kunnen afleggen. Je zou misschien verwachten dat deze afstand 13,8 miljard lichtjaar is, omdat de oerknal 13,8 miljard jaar geleden plaatsvond. Maar omdat de ruimtetijd in de tussentijd flink is uitgerekt, ligt de grens nu een stuk verderop. Het gebied binnen deze grens staat bekend als het waarneembare heelal. 

Ondanks dit beperkte zicht weten we vrij zeker dat er schommelingen bestaan in de structuurverdeling van het heelal die de kosmische horizon overstijgen. Dat weten we dankzij de kaart van de kosmische achtergrondstraling: de straling die tot zo’n 379.000 jaar na de oerknal werd verspreid, en nog altijd het hele heelal vult. Aan de hand van de temperatuur van deze straling geeft de kaart aan hoe materie destijds over het heelal was verdeeld.

Toen de achtergrondstraling werd gevormd, was de kosmische horizon veel kleiner dan nu. Het licht had immers geen 13,8 miljard jaar, maar hooguit 379.000 jaar de tijd gehad om afstanden te overbruggen. Daardoor lagen grote delen van de kaart van de achtergrondstraling destijds buiten elkaars bereik. Toch zien we structuren die deze gebieden met elkaar verbinden.

‘Alle structuren groter dan 1 graad in de CMB, waren op dat moment veel groter dan de horizon, dus superhorizon modes’, zegt kosmoloog Rien van de Weijgaert van de Rijksuniversiteit Groningen. ‘Je ziet structuren in de temperatuurverdeling die zich tot de gehele hemel uitstrekken. Die superhorizon modes bestonden toen dus sowieso. Dat zal ook heden ten dage nog het geval zijn.’

De kaart van de kosmische achtergrondstraling: een soort nagloed van de oerknal. Beeld: NASA

De vraag is dan nog hoe de grootschalige schommelingen zijn ontstaan. De gebieden waarover ze zich uitstrekken staan immers niet met elkaar in contact, en stonden dat ten tijde van de achtergrondstraling al helemaal niet. Daarom moeten we voor een verklaring vermoedelijk nog verder terug.

‘We denken dat ze in het zeer vroege heelal zijn ontstaan, in de inflatieperiode’, zegt Van de Weijgaert. Dat was een periode van onvoorstelbare uitdijing: een fractie van een seconde (zo’n 10-36 seconden) na de oerknal werd het heelal in een soortgelijke fractie van een seconde (10-34 seconden) ongeveer 1060 keer zo groot. ‘Het hele huidige waarneembare universum was toen veel kleiner dan een proton’, zegt Van de Weijgaert. ‘Het idee is dat vervolgens door inflatie alles dat destijds groter was dan die fractie van een proton nu nog steeds groter is dan de horizon.’ En dus zijn fluctuaties op subatomaire schaal in één klap uitgegroeid tot schommelingen die de kosmische horizon overstijgen.