Meest recent

    Het universum dijt sneller uit dan gedacht

    Een team van astronomen heeft aan de hand van gegevens van de Amerikaans-Europese Hubble-ruimtetelescoop ontdekt dat de uitdijing van het heelal vijf tot negen procent sneller verloopt dan tot nu toe gedacht. Dat heeft het Amerikaanse ruimtevaartbureau NASA vandaag bekendgemaakt.
    Science Photo Library
    Het uitdijend heelal.

    De wetenschappers rond Nobelprijswinnaar Adam Riess deden de ontdekking door de de huidige expansiesnelheid van het universum te verfijnen tot een nooit eerder geziene nauwkeurigheid, namelijk met een onzekerheid van slechts 2,4 procent. De mate waarin het heelal uitdijt, noemt men de Hubble-constante, en die bedraagt volgens de nieuwe berekeningen 73,2 km per seconde per megaparsec (3,26 miljoen lichtjaar).

    Dat is sneller dan het aanvankelijk berekende tempo, afgeleid van metingen van het universum kort na de Oerknal.

    De metingen van de nagloeiing van de Oerknal, de kosmische achtergrondstraling, door de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) van de NASA en de Planck satteliet missie van de ESA geven schattingen voor de Hubble-constante die respectievelijk 5 en 9 procent lager liggen.

    Brug

    De expansiesnelheid van het universum vergelijken aan de hand van de berekeningen van WMAP, het Planck-team en nu de Hubble, is als het bouwen van een brug, zei astronoom Adam Riess, de leider van het onderzoeksteam. Riess kreeg in 2011 samen met Saul Perlmutter en Brian Schmidt de Nobelprijs voor Natuurkunde voor hun ontdekking in 1998 van de versnelde uitdijing van het heelal door waarnemingen van verafgelegen supernova's.

    Aan de verre overkant zijn er de observaties van de kosmische achtergrondstraling in het begin van het universum. Aan de nabijgelegen kant zijn de metingen van het team van Riess met de Hubble.

    'Je begint aan twee kanten, en je verwacht elkaar tegen te komen in het midden als al je tekeningen juist zijn en je metingen kloppen", zei Riess op de website van de NASA. "Maar nu komen de uiteinden niet samen in het midden en we willen weten waarom."

    Een voorstelling van het uitdijend heelal en de veranderingen in de mate van uitdijing sinds het ontstaan van het universum zo'n 15 miljard jaar geleden. Hoe minder gebogen de kromme lijn aan de buitenkanten is, hoe sneller de expansie verloopt. De kromme ondergaat een duidelijke verandering zo'n 7,5 miljard jaar geleden, toen de objecten in het universum aan een hogere snelheid van elkaar begonnen te vliegen (Illustratie: Ann Feild/STScl/NASA).

    Donkere energie

    Er zijn een aantal mogelijke verklaringen voor de onverwacht snelle expansie van het universum. Een mogelijkheid is dat donkere energie, waarvan reeds is geweten dat die het universum accelereert, sterrenstelsels met een grotere - of zelfs toenemende - kracht uit elkaar trekt.

    Een ander idee is dat het jonge universum een nieuw type van subatomaire deeltjes bevat heeft, dat zich voortbewoog met een snelheid dicht tegen de lichtsnelheid. Zulke snelle deeltjes worden collectief "donkere straling" genoemd en reeds bekende deeltjes als neutrino's maken er deel van uit. Meer energie van bijkomende donkere straling kan de energiebalans in het jonge universum veranderd hebben, en kan onze beste inspanningen om de huidige mate van expansie te schatten aan de hand van de afgelegde weg sinds de Oerknal, in de war sturen.

    De hogere acceleratie kan ook betekenen dat de donkere materie sommige onverwachte, vreemde, kenmerken heeft. Donkere materie is de ruggengraat van het universum waarop sterrenstelsels zich opbouwen tot de grootschalige structuren die we vandaag zien.

    En ten slotte kunnen de nieuwe bevindingen de astronomen misschien ook tonen dat de zwaartekrachttheorie van Albert Einstein onvolledig is.

    Verafgelegen sterrenstelsels

    Het team was in staat tot de nauwkeurige metingen van de Hubbleconstante doordat het innovatieve technieken ontwikkelde om de afstanden tot verafgelegen sterrenstelsels nauwkeuriger te meten.

    De astronomen begonnen (links op de illustratie onder) door met de Hubble de afstand te meten tot een aantal pulserende sterren in ons melkwegstelsel die Cepheïde-sterren genoemd worden, met een basistechniek uit de geometrie die parallax heet, en die ook op aarde gebruikt wordt door landmeters. Eens de astronomen de werkelijke helderheid van de Cepheïden gekalibreerd hebben, kunnen ze die gebruiken als een "kosmische maatstaf" om de afstand te meten tot verafgelegen sterrenstelsels, veel verder dan men kan meten met de parallax-techniek. De Cepheïden bieden het bijkomend voordeel dat ze een bijkomende "fijnregeling" hebben voor hun werkelijke helderheid: ze pulseren aan een tempo dat in verband staat met hun werkelijke helderheid. Hoe trager ze pulseren, hoe helderder ze zijn. De astronomen vergeleken vervolgens de gekalibreerde werkelijke helderheid met hun schijnbare helderheid gezien van de aarde, om zo nauwkeurig hun afstand tot de aarde te bepalen.

    Eens de Cepheïden gekalibreerd zijn, richtten de astronomen hun blik voorbij onze melkweg, naar nabijgelegen sterrenstelsels (midden op de illustratie). Het team zocht naar sterrenstelsels die zowel Cepheïde-sterren als Type Ia supernova's bevatten. Type Ia supernova's, een andere veel gebruikte kosmische maatstaf, zijn ontploffende sterren die allemaal opflakkeren met dezelfde helderheid. De astronomen gebruikten de Cepheïden dan om de werkelijke helderheid van de supernova's in elk sterrenstelsel te meten. Uit die berekeningen konden ze dan de afstand tot de verschillende sterrenstelsels bepalen.

    Vervolgens zochten ze naar supernova's in nog verder gelegen sterrenstelsels (rechts op de illustratie). In tegenstelling tot de Cepheïden, zijn de Type Ia supernova's helder genoeg om vanop relatief verre afstanden gezien te worden. De astronomen vergeleken de werkelijke en de schijnbare helderheid van de verafgelegen supernova's om de afstand te bepalen, tot het punt waar de expansie van het universum kan waargenomen worden. Ze vergeleken dan die afstandsmetingen met hoe het licht van de supernova's uitgerekt wordt, omdat ze zich van ons verwijderen. De golflengte van licht wordt immers langer als het zich van de waarnemer verwijdert, dit noemt men roodverschuiving. Het team gebruikte dan die twee waarden om te berekenen hoe snel het universum uitdijt in de loop van de tijd, de Hubbleconstante.

    In totaal maten ze zo'n 2.400 Cepheïde-sterren in 19 sterrenstelsels en 300 Type Ia supernova's in verafgelegen sterrenstelsels.

    De drie stappen die het SHOES-team gebruikt heeft om de Hubbleconstante te berekenen (Illustratie: NASA/ESA/A.Feild (STScl) en A.Reiss (STScl/JHU).

    Nog nauwkeuriger

    Zoals gezegd bedraagt de Hubbleconstante volgens de nieuwe berekeningen 73,2 km per seconde per megaparsec (3,26 miljoen lichtjaar) en is met de nieuwe meting de onzekerheid over de waarde van de Hubble-constante tot 2,4 procent verkleind. Het is de bedoeling van het team om de metingen nog te verfijnen en te komen tot een onzekerheidsmarge van één procent.

    Voor de Hubble-telescoop in 1990 gelanceerd werd, schommelden de schattingen van de Hubbleconstante met een factor twee, de hoogste schatting was dubbel zo groot als de laagste. In de late jaren 90 bracht het Hubble Space Telescope Key Project on the Extragalactic Distance Scale de foutenmarge terug tot tien procent en het huidige team, dat het SHOES-team genoemd wordt, heeft de onzekerheid veminderd met 76 procent sinds het in 2005 aan zijn zoektocht naar de constante begon.

    De studie van het SHOES-team zal gepubliceerd worden in "The Astrophysical Journal".