Waar en wanneer je ook bent in het universum, de zwaartekrachtwetten van Einstein lijken overal hetzelfde. Dat blijkt uit nieuwe, nauwkeurige metingen aan de zwaartekracht.

Het universum dijt uit. Het dijt zelfs steeds sneller en sneller uit. Dat ontdekten astronomen ruim twintig jaar geleden. Hoe dit kan is een raadsel. De zwaartekracht, waardoor massa’s elkaar aantrekken, zou namelijk alles bij elkaar moeten houden. Er moet dus iets zijn dat dit zwaartekrachtseffect tegenwerkt en de uitdijing van het heelal aandrijft. Omdat astronomen en kosmologen nog niet weten wat dat ‘iets’ precies is, noemen ze het donkere energie.

Donkere energie gaat in tegen alles wat we weten over de zwaartekracht. ‘Het is alsof je een bal in de lucht gooit die niet terugvalt, maar die steeds sneller omhoog vliegt’, zegt Nasa-astrofysicus Eric Huff, aan de telefoon. ‘Dat is zoiets vreemds dat we er nog geen verklaring voor hebben.’

De replicatiecrisis heeft zich een weg gebaand door de hele wetenschap – bestaat er een oplossing?
LEES OOK
De replicatiecrisis heeft zich een weg gebaand door de hele wetenschap – bestaat er een oplossing?

Onveranderlijke zwaartekracht

Sommige theoretisch natuurkundigen proberen de versnelde uitdijing van het heelal te verklaren met modellen waarin de zwaartekracht in de loop van de tijd verandert, in tegenstelling met de zwaartekrachttheorie van Einstein. Of modellen waarin de zwaartekracht begint zich te gedragen als een afstotende kracht, in plaats van een aantrekkende, als twee objecten ongelofelijk ver van elkaar verwijderd zijn.

Onderzoekers van de Dark Energy Survey Collaboration hebben deze modellen en Einsteins theorie getest door waarnemingen te analyseren van onder meer de Víctor M. Blanco telescoop in Chili en ruimtetelescoop Planck. Ze zochten hierbij naar aanwijzingen dat de sterkte van de zwaartekracht heeft gevarieerd tijdens de geschiedenis van het heelal, of dat die varieert op grote afstanden.

De conclusie is dat de zwaartekracht onveranderlijk lijkt. De kracht gedroeg zich miljarden jaren geleden precies hetzelfde als nu, en dat geldt ook voor grote afstanden.

Zwakke zwaartekrachtlenzen

Om te achterhalen hoe de zwaartekracht zich miljarden jaren geleden gedroeg, keken de onderzoekers naar verre sterrenstelsels. Licht heeft een eindige snelheid, en doet er een jaar over om een afstand van ongeveer 9.460 miljard kilometer (een lichtjaar) af te leggen. Als een object een lichtjaar bij ons vandaan staat, zien wij dus het object zoals het er een jaar geleden uitzag. Staat iets op miljarden lichtjaren afstand, dan zien we het zoals het er miljarden jaren geleden uitzag.

Om te meten hoe sterk de zwaartekracht is op deze grote afstanden, analyseerden de onderzoekers de zwakke-zwaartekrachtlensmetingen van de telescopen. ‘Daarbij kijk je naar kleine vervormingen van sterrenstelsels die veroorzaakt worden door zwaartekrachtlenzen’, vertelt astronoom Agnès Ferté, van het Amerikaanse onderzoeksinstituut SLAC.

Zwaartekrachtlenzen zijn objecten, zoals sterren, zwarte gaten, wolken donkere materie of hele sterrenstelsels, die met hun massa de ruimtetijd eromheen krommen. Licht van daarachter gelegen sterrenstelsels wordt daardoor afgebogen. Dit effect is vergelijkbaar met licht dat afgebogen wordt door een lens.

Schematische weergaven van zwaartekrachtlens. Het licht van een achtergelegen lichtbron wordt om een zwaar object heen gebogen. De witte pijlen tonen het pad dat het licht vanaf de bron om het zware object heen aflegt. De oranje pijlen laten zien waar de achtergelegen lichtbron zich lijkt te bevinden. Bron: Wikimedia Commons, NASA/ESA

Het resultaat is dat de achtergelegen sterrenstelsels er door deze zwaartekrachtlenzen licht vervormd uitzien. Uit die vervorming kun je afleiden hoe sterk de zwaartekracht van het object is dat de zwaartekrachtlens vormt.

‘Dit effect kunnen we bij veel verschillende sterrenstelsels meten’, zegt Ferté. ‘Zo kunnen we de sterkte van de zwaartekrachtwetten op verschillende plekken en tijden in het heelal meten.’

Iets geks

De uitkomst van de metingen was dat de zwaartekracht overal en altijd even sterk was. Maar daarmee kunnen de alternatieve zwaartekrachtmodellen nog niet helemaal uitgesloten worden. ‘We hebben zwaartekrachtlensmetingen van de toekomstige ruimtetelescopen Euclid en Roman nodig om zeker te zijn’, zegt Huff.

Deze afbeelding van NASA’s James Webb Space Telescope toont de sterrenstelselcluster SMACS 0723. Sommige sterrenstelsels lijken uitgesmeerd of uitgerekt door de ervoor gelegen zwaartekrachtlens. Beeld: NASA, ESA, CSA, STScI

Ferté: ‘Ik hoop dat we met de Euclid en Roman missies iets geks vinden. Iets dat ons een hint geeft over nieuwe natuurkunde, waarmee we ook andere vragen over bijvoorbeeld donkere materie kunnen verklaren.’