‘Schokkende’ resultaten van een groot astronomisch onderzoek hebben twijfels opgeroepen over het standaardmodel van de kosmologie. Dit dwingt wetenschappers om nieuwe manieren te bedenken om donkere energie en zwaartekracht te begrijpen.
Recente, baanbrekende ontdekkingen suggereren dat donkere energie zwakker wordt naarmate het heelal uitdijt. Dat zorgt ervoor dat natuurkundigen overwegen om het populaire kosmologische standaardmodel van het heelal te vervangen door exotische nieuwe theorieën die stellen dat de zwaartekracht anders werkt dan we dachten. Ineens zijn ideeën met snaartheorie, een nieuwe fundamentele kracht of zelfs een vorm van zwaartekracht die in de loop van de tijd verandert, opties die op tafel liggen.
Standaardmodel
Ons beste model van het heelal heet lambda-CDM (of LCDM), dat de kosmos in drie delen verdeelt: de materie die we kunnen zien, de materie die we niet kunnen zien maar die toch een zwaartekracht heeft – bekend als donkere materie – en donkere energie, een hardnekkig afstotend verschijnsel dat het heelal dwingt om steeds sneller uit te dijen. Volgens vergelijkingen die voor het eerst werden bedacht door Albert Einstein, lijkt de snelheid waarmee het universum uitdijt te versnellen met een vaste waarde die bekend staat als de kosmologische constante, weergegeven door de Griekse letter lambda.
Robots en satellieten geven een uniek inkijkje in het leven van keizerspinguïns
Dankzij robots en satellieten krijgen onderzoekers een gedetailleerder inkijkje in het leven van keizerspinguïns dan ooit.
Dit lambda-CDM-model klopt met bijna al onze waarnemingen van het heelal tot nu toe. Maar het DESI-instrument (Dark Energy Spectroscopic Instrument) in Arizona, dat de grootste 3D-kaart van het heelal heeft gemaakt door miljoenen sterrenstelsels langs de hemel te volgen, trekt dit model nu in twijfel. DESI meet nauwkeurig de afstanden tussen sterrenstelsels op verschillende momenten in de geschiedenis van het heelal, waardoor kosmologen kunnen berekenen hoe snel het heelal uitdijt.
Schokkende resultaten
Vorig jaar werden de eerste aanwijzingen gevonden dat donkere energie geen constante is en dat het heelal in de loop van de tijd mogelijk minder snel versnelt. Deze eerste resultaten waren voorlopig en hielden dus nog een flinke slag om de arm. Maar een tweede publicatie in maart, die drie jaar aan DESI-gegevens omvatte, versterkte deze aanwijzingen. Hoewel de resultaten nog steeds niet voldeden aan de vereiste statistische zekerheid die nodig is voor een echte ontdekking, leidde het tot een schokgolf onder vakgenoten. ‘Iedereen keek naar deze vrijgegeven gegevens van DESI en ze waren behoorlijk schokkend’, zegt kosmoloog Yi-Fu Cai van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China.
‘Dit is spannend – het zou wel eens het standaardmodel van de kosmologie in gevaar kunnen brengen’, zegt kosmoloog Yashar Akrami van de Autonome Universiteit van Madrid.
Donkere energie als veld
Onderzoekers van de DESI-groep stelden voor om LCDM aan te passen aan hun bevindingen door er nieuwe, variabele getallen aan toe te voegen. Maar volgens Akrami en zijn collega’s zijn deze aanpassingen een geknutselde oplossing die niet gebaseerd is op de fysische realiteit. In plaats daarvan ontdekten ze dat ze de afstandsveranderingen die DESI ziet beter konden beschrijven door donkere energie te beschrijven als een veld. Dit veld is vergelijkbaar met de krachtvelden die licht of de kernkrachten beschrijven, zoals het elektromagnetische veld. Maar in tegenstelling tot die velden, zou dit nieuwe veld geleidelijk veranderen in de tijd.
Een voordeel van dit idee, dat een ‘kwintessensveld’ wordt genoemd, is dat je het bestaan ervan kunt afleiden uit completere modellen die veel verschijnselen in het universum in een model proberen te vatten, zoals bepaalde snaartheoretische modellen. ‘Als je bewijst dat kwintessens donkere energie is, is dat heel goed voor [snaartheoretici]’, zegt Akrami. ‘Daarom is de snaartheoriegemeenschap nu echt enthousiast.’
Ontdooiende zwaartekracht
Het is ook goed nieuws voor andere theorieën over quantumzwaartekracht, die al lang worstelen met de LCDM-voorspelling dat de uitdijing van het heelal zal blijven versnellen, zegt Cai. Veel van deze theorieën beschrijven, in een scenario van constante versnelling, namelijk geen realistisch universum. Een in de tijd veranderende donkere energie zou veel van deze theorieën wel levensvatbaarder maken, zegt hij.
Het kwintessensmodel van Akrami en zijn team heeft geen noemenswaardige wisselwerking met de zwaartekracht en biedt dus ook geen mogelijkheden voor quantumzwaartekracht-theorieën. Maar andere onderzoekers hebben ontdekt dat donkere-energiemodellen die wel een wisselwerking met de zwaartekracht hebben nog beter bij de DESI-gegevens passen.
Kosmoloog Gen Ye van de Universiteit Leiden en zijn collega’s hebben bijvoorbeeld een model voorgesteld dat ‘ontdooiende zwaartekracht’ wordt genoemd. Volgens dat model zal de zwaartekracht, zoals beschreven door Einsteins algemene relativiteit, op een bepaald moment anders gaan werken onder invloed van het veranderende donkere-energieveld. Dit zou een problematische implicatie van de DESI-resultaten kunnen verklaren, namelijk dat de energiedichtheid van het universum in de loop van de tijd moet toenemen als donkere energie zwakker wordt, zegt Ye.
Vijfde kracht
Kosmoloog Pedro Ferreira van de Universiteit van Oxford en zijn collega’s hebben ontdekt dat een ander kwintessensmodel van donkere energie, dat ook interactie heeft met de zwaartekracht, beschrijft wat DESI lijkt te meten. ‘[Ons model] lijkt, in mijn ogen, de enige manier te zijn waarop dit mogelijk is’, zegt hij.
Als een van deze nieuwe modellen waar blijkt, dan zou dit een radicale verandering zijn in hoe we over het universum denken, zegt Ferreira. ‘We zijn opgegroeid met het idee dat het universum zwaartekracht heeft en dat zwaartekracht alles voedt’, zegt hij. ‘Maar nu komt er een vijfde kracht bij, die te wijten is aan de donkere energie, die ook alles voedt.’
Een groot probleem met deze aanpassing is echter dat we bewijs van deze vijfde kracht hadden moeten zien in nauwkeurige metingen van bijvoorbeeld planeetbanen en bij testen van de relativiteitstheorie op aarde. Dat we die aanwijzingen niet zagen, betekent dat we ook nog een natuurkundig principe moeten uitvinden dat ons ervan weerhoudt om de effecten van die vijfde kracht in deze systemen te meten, zegt Ferreira. ‘De natuurkunde wordt daarmee nog ingewikkelder dan we dachten. Dat roept de vraag op waarom je die weg zou willen inslaan.’
Debat
Helaas zijn de huidige DESI-gegevens niet nauwkeurig genoeg om onderscheid te maken tussen de verschillende modellen van donkere energie in wisselwerking met zwaartekracht, zegt Ferreira. ‘Twee of drie of vier of vijf mensen komen met verschillende theoretische verklaringen. En er is geen manier om onderscheid te maken tussen deze theoretische voorstellen’, zegt hij. ‘Dat zal resulteren in het voeren van debatten over wat de juiste theorie is op basis van meningen. En we zullen het nooit oplossen.’
Ye heeft wel goede hoop dat er een manier is om vast te stellen welk idee juist is. Als de zwaartekracht op subtiele manieren wordt veranderd door donkere energie, dan zou dat zichtbaar kunnen worden in andere waarnemingen, zoals zwakke gravitatielensmetingen, die meten hoe de zwaartekracht van sterrenstelsels licht afbuigt. ‘Als de ontdooiende zwaartekracht klopt, dan zal dat zichtbaar zijn in de manier waarop grote massa’s licht afbuigen’, zegt hij. ‘Het buigingseffect zal namelijk anders zijn dan volgens de algemene relativiteit.’
Maar voordat er een nieuw heelalmodel ingelijfd wordt, zal eerst vastgesteld moeten worden dat donkere energie echt verandert. Die conclusie, op basis van de DESI-metingen, is volgens de meeste kosmologen namelijk voorbarig. Er zijn meer gegevens nodig die dit aantonen. Enige opheldering zal komen van een volgende set DESI-gegevens, die in de komende paar jaar wordt verwacht. Verdere informatie zal komen van andere onderzoeken naar donkere energie, zoals de Euclid-satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA.
