Het heelal dijt sneller uit dan verwacht

Op 3 december had de mensheid plotseling informatie binnen handbereik die men al, nou ja, altijd al wilde hebben: de precieze afstanden tot de sterren.

“Je typt de naam van een ster in of zijn positie, en in minder dan een seconde heb je het antwoord,” zei Barry Madore, een kosmoloog aan de Universiteit van Chicago en de Carnegie Observatories, vorige week tijdens een Zoom-gesprek. “Ik bedoel…”

Oorspronkelijk verhaal overgenomen met toestemming van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Stichting die als missie heeft het inzicht van het publiek in de wetenschap te vergroten door aandacht te besteden aan onderzoeksontwikkelingen en trends in de wiskunde en de natuur- en levenswetenschappen.

“We drinken nu uit een brandslang,” zei Wendy Freedman, ook een kosmoloog aan Chicago en Carnegie en Madore’s vrouw en medewerker.

“Ik kan niet genoeg benadrukken hoe opgewonden ik ben,” zei Adam Riess van de Johns Hopkins University, die in 2011 de Nobelprijs voor natuurkunde won voor zijn mede-ontdekking van donkere energie, in een telefoongesprek. “Kan ik je visueel laten zien waar ik zo enthousiast over ben?” We schakelden over op Zoom, zodat hij mooie plots van de nieuwe stergegevens kon delen.

De gegevens zijn afkomstig van het Gaia-ruimteschip van de Europese ruimtevaartorganisatie, dat de afgelopen zes jaar vanaf een hoogte van 1 miljoen mijl naar de sterren heeft gekeken. De telescoop heeft de “parallaxen” van 1,3 miljard sterren gemeten – kleine verschuivingen in de schijnbare posities van de sterren aan de hemel die hun afstanden onthullen. “De Gaia-parallaxen zijn verreweg de nauwkeurigste en nauwkeurigste afstandsbepalingen ooit”, zegt Jo Bovy, astrofysicus aan de universiteit van Toronto.

Het beste voor kosmologen is dat de nieuwe catalogus van Gaia de speciale sterren bevat waarvan de afstanden als maatstaf dienen voor het meten van alle verdere kosmologische afstanden. Hierdoor hebben de nieuwe gegevens het grootste raadsel in de moderne kosmologie snel aangescherpt: de onverwacht snelle uitdijing van het heelal, bekend als de Hubble-spanning.

De spanning is als volgt: De bekende bestanddelen van de kosmos en de vergelijkingen voorspellen dat de kosmos momenteel zou moeten uitdijen met een snelheid van 67 kilometer per seconde per megaparsec – wat betekent dat we de sterrenstelsels 67 kilometer per seconde sneller van ons af zouden moeten zien vliegen voor elke megaparsec extra afstand. Maar de metingen schieten consequent te kort. Sterrenstelsels verdwijnen te snel. Deze discrepantie suggereert dat er een onbekende versneller in de kosmos rondloopt.

“Het zou ongelooflijk opwindend zijn als er nieuwe fysica was,” zei Freedman. “Ik heb een geheim in mijn hart dat ik hoop dat het er is, dat er een ontdekking gedaan kan worden. Maar we willen er zeker van zijn dat we gelijk hebben. Er is werk aan de winkel voordat we dat ondubbelzinnig kunnen zeggen.”

Dat werk omvat het verkleinen van mogelijke foutbronnen in metingen van de kosmische uitdijingssnelheid.

In een artikel dat op 15 december online is gezet en is ingediend bij The Astrophysical Journal, heeft het team van Riess de nieuwe gegevens gebruikt om de uitdijingssnelheid vast te stellen op 73,2 kilometer per seconde per megaparsec, in lijn met hun vorige waarde, maar nu met een foutmarge van slechts 1,8 procent. Dat lijkt de discrepantie met de veel lager voorspelde snelheid van 67 te bevestigen.

Freedman en Madore verwachten de nieuwe en verbeterde meting van de kosmische uitdijingssnelheid van hun groep in januari te publiceren. Ook zij verwachten dat de nieuwe gegevens hun meting, die lager uitvalt dan die van Riess en andere groepen maar nog steeds hoger is dan de voorspelling, zullen versterken in plaats van verschuiven.

Sinds de lancering van Gaia in december 2013 heeft het twee andere enorme datasets vrijgegeven die een revolutie hebben teweeggebracht in ons begrip van onze kosmische omgeving. Toch waren de eerdere parallaxmetingen van Gaia een teleurstelling. “Toen we naar de eerste gegevensrelease keken” in 2016, zei Freedman, “wilden we huilen.”

Een onvoorzien probleem

Als parallaxen makkelijker te meten waren, had de Copernicaanse revolutie misschien eerder plaatsgevonden.

Copernicus stelde in de 16e eeuw voor dat de aarde om de zon draait. Maar zelfs in die tijd wisten astronomen van parallaxen. Als de aarde bewoog, zoals Copernicus beweerde, dan verwachtten zij dat de sterren in de buurt aan de hemel zouden verschuiven, net zoals een lantaarnpaal lijkt te verschuiven ten opzichte van de heuvels op de achtergrond als je de straat oversteekt. De astronoom Tycho Brahe zag zo’n stellaire parallax niet en concludeerde dat de Aarde niet beweegt.

En toch doet hij het, en de sterren verschuiven, zij het nauwelijks, omdat ze zo ver weg staan.

Het duurde tot 1838 voordat een Duitse astronoom, Friedrich Bessel, stellaire parallax ontdekte. Door de hoekverschuiving van het sterrensysteem 61 Cygni ten opzichte van de omringende sterren te meten, concludeerde Bessel dat het 10,3 lichtjaar van ons vandaan stond. Zijn meting week slechts 10 procent af van de werkelijke waarde. Volgens de nieuwe metingen van Gaia staan de twee sterren in het stelsel op 11,4030 en 11,4026 lichtjaar van elkaar, op een of twee duizendste lichtjaar na.

Het 61 Cygni stelsel is uitzonderlijk dichtbij. Meer typische Melkwegsterren verschuiven met slechts tienduizendsten van een boogseconde – slechts honderdsten van een pixel in een moderne telescoopcamera. Om de beweging te kunnen waarnemen zijn speciale, ultra-stabiele instrumenten nodig. Gaia was voor dit doel ontworpen, maar toen de telescoop werd aangezet, bleek er een onvoorzien probleem te zijn.

De telescoop werkt door in twee richtingen tegelijk te kijken en de hoekverschillen tussen sterren in de twee gezichtsvelden te volgen, legt Lennart Lindegren uit, die in 1993 de Gaia-missie mede heeft voorgesteld en de analyse van de nieuwe parallax-gegevens heeft geleid. Nauwkeurige parallax-schattingen vereisen dat de hoek tussen de twee beeldvelden vast blijft. Maar in het begin van de Gaia-missie ontdekten wetenschappers dat dit niet het geval is. De telescoop buigt lichtjes als hij ten opzichte van de zon draait, waardoor de metingen een wiebel vertonen die de parallax nabootst. Erger nog, deze parallax “afwijking” hangt op ingewikkelde manieren af van de positie, kleur en helderheid van objecten.

Naarmate de gegevens zich opstapelden, werd het voor de Gaia-wetenschappers echter steeds gemakkelijker om de nepparallax van de echte te onderscheiden. Lindegren en collega’s zijn erin geslaagd een groot deel van de wiebel van de telescoop uit de pas vrijgegeven parallaxgegevens te verwijderen, terwijl ze ook een formule hebben bedacht die onderzoekers kunnen gebruiken om de uiteindelijke parallaxmetingen te corrigeren afhankelijk van de positie, kleur en helderheid van een ster.

Climbing the Ladder

Met de nieuwe gegevens in de hand hebben Riess, Freedman en Madore en hun teams de uitdijingssnelheid van het heelal kunnen herberekenen. In grote lijnen is de manier om de kosmische uitdijing te meten het bepalen van de afstand tussen verre sterrenstelsels en de snelheid waarmee ze zich van ons verwijderen. De snelheidsmetingen zijn eenvoudig; de afstanden zijn moeilijk.

De meest nauwkeurige metingen zijn gebaseerd op ingewikkelde “kosmische afstandsladders”. De eerste trap bestaat uit “standaardkaars”-sterren in en rond ons eigen melkwegstelsel die een duidelijk gedefinieerde helderheid hebben en dicht genoeg bij elkaar staan om parallax te vertonen – de enige manier om zeker te weten hoe ver weg dingen zijn zonder erheen te reizen. Astronomen vergelijken dan de helderheid van deze standaardkaarsen met die van zwakkere kaarsen in nabije melkwegstelsels om hun afstanden af te leiden. Dat is de tweede sport van de ladder. Als kosmologen de afstanden weten van deze sterrenstelsels, die worden gekozen omdat ze zeldzame, heldere sterexplosies bevatten die supernova’s van type 1a worden genoemd, kunnen ze de relatieve afstanden bepalen van verder weg gelegen sterrenstelsels die zwakkere supernova’s van type 1a bevatten. De verhouding tussen de snelheid van deze verre sterrenstelsels en hun afstand geeft de kosmische uitdijingssnelheid.

Parallaxen zijn dus van cruciaal belang voor de hele constructie. “Als je de eerste stap verandert – de parallaxen – dan verandert alles wat daarna komt ook,” zei Riess, die een van de leiders is van de benadering van de afstandsladder. “Als je de precisie van de eerste stap verandert, verandert ook de precisie van al het andere.”

Riess’ team heeft Gaia’s nieuwe parallaxen van 75 cepheïden – pulserende sterren die hun favoriete standaardkaarsen zijn – gebruikt om hun meting van de kosmische uitdijingssnelheid opnieuw te kalibreren.

Freedman en Madore, de belangrijkste rivalen van Riess aan de top van de afstandsladder, hebben de afgelopen jaren betoogd dat cepheïden mogelijke misstappen op hogere sporten van de ladder in de hand werken. Dus in plaats van te zwaar op hen te leunen, combineert hun team metingen op basis van meerdere soorten standaard kaarssterren uit de Gaia-dataset, waaronder cepheïden, RR Lyrae-sterren, tip-van-de-rode-giant-tak sterren en zogenaamde koolstofsterren.

“Gaia’s geeft ons een veilige basis,” zei Madore. Hoewel een serie artikelen van Madore en Freedman’s team pas over een paar weken wordt verwacht, merkten ze op dat de nieuwe parallax gegevens en correctieformule goed lijken te werken. Bij gebruik van verschillende methoden om de metingen te plotten en te ontleden, vallen de datapunten van cepheïden en andere speciale sterren keurig langs rechte lijnen, met heel weinig van de “spreiding” die op toevallige fouten zou duiden.

“Het vertelt ons dat we echt naar het echte spul kijken,” zei Madore.

Originele verhaal overgenomen met toestemming van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Stichting met als missie het vergroten van het begrip van de wetenschap door het verslaan van onderzoeksontwikkelingen en trends in de wiskunde en de natuur- en levenswetenschappen.

Het heelal dijt sneller uit dan verwacht

Een onvoorzien probleem

Climbing the Ladder

More Great WIRED Stories

Geef een reactie Antwoord annuleren