Beeld van de Grote Magelhaense Wolk door een grondtelescoop, met als inzet een sterrencluster door de Hubble. NASA/ESA/Adam Riess/Palomar Digitized Sky Survey

Nieuwe gegevens van Hubble vergroten mysterie rond de snelheid van de expansie van het heelal

Astronomen hebben met behulp van de Hubble ruimtetelescoop een belangrijke drempel overschreden in verband met de discrepantie tussen de resultaten van de twee technieken die gebruikt worden om de expansiesnelheid van het universum te bepalen. Dat verschil kan zo goed als zeker geen toeval meer zijn, zo zeggen de onderzoekers op basis van nieuwe metingen met de Hubble. Dat versterkt het idee dat er nieuwe theorieën nodig zijn om de krachten te verklaren die het universum vorm hebben gegeven. 

Waarover gaat het juist? Het universum wordt elke seconde groter doordat de ruimte tussen de sterrenstelsels uitzet, zoals deeg dat rijst in de oven, of een ballon die opgeblazen wordt. Daarover is iedereen het eens, maar hoe snel vindt die uitdijing plaats? Dat is niet zo duidelijk want de twee belangrijkste technieken om die snelheid te meten geven een verschillend resultaat. 

De eerste techniek, metingen van de Hubble en andere telescopen van hoe snel sterrenstelsels nu, in het late heelal, uit elkaar gaan, geven een hogere expansiesnelheid dan verwacht kan worden op basis van hoe het universum er meer dan 13 miljard jaar geleden uitzag, kort na de oerknal. De tweede techniek is namelijk gebaseerd op de kosmische achtergrondstraling, een zwakke gloed van wat intussen radiostraling is, over heel de hemel. Die achtergrondstraling is een overblijfsel van zo'n 380.000 jaar na de oerknal, het ogenblik waarop licht voor het eerst ongehinderd door de ruimte kon stralen, en ze is in kaart gebracht door het Planck Observatory van de ESA. Als men voortgaat op waarnemingen van de expansie van dat vroege universum, komt men tot een lagere expansiesnelheid.

De metingen van de hogere snelheid die tot nu toe werden verricht, hadden een kans van 1 op 3.000 om verkeerd te zijn, wat voor een resultaat in de astrofysica als vrij hoog beschouwd wordt. De nieuwe resultaten die nu gepubliceerd zijn, verkleinen die kans evenwel tot 1 op 100.000, wat het zo goed als onmogelijk maakt dat het verschil het gevolg is van toeval of een fout bij de metingen. Er is dus een verschil, en dat versterkt het idee dat we nieuwe theorieën nodig hebben om dat te verklaren. 

"De spanning tussen de metingen voor het vroege en het late universum zou wel eens de meest opwindende ontwikkeling in de kosmologie in tientallen jaren kunnen zijn", zei Nobelprijs-laureaat Adam Riess in een mededeling van het Goddard Space Flight Center van de NASA. "Deze wanverhouding wordt alsmaar groter en heeft nu een punt bereikt waarop het echt onmogelijk is om ze af te doen als een ongelukkig toeval. Het is niet geloofwaardig dat dit verschil zich louter bij toeval voordoet." Riess is de hoofdonderzoeker van de studie over de nieuwe metingen met de Hubble, en hij werkt bij het Space Telescope Science Institute (SPScI) en de Johns Hopkins University. 

Deze illustratie toont de drie basisstappen die astronomen gebruiken om te berekenen hoe snel het universum uitdijt in de loop van de tijd, een waarde die de constante van Hubble-Lemaître genoemd wordt. Al de stappen draaien rond het opstellen van een sterke 'kosmische afstandsladder', door te starten met het meten van de juiste afstanden tot nabijgelegen sterrenstelsels, en dan voort te gaan met de afstanden tot sterrenstelsels verder en verder weg. De 'ladder' is een reeks van metingen van verschillende soorten astronomische objecten met een intrinsieke helderheid die onderzoekers kunnen gebruiken om de afstanden te berekenen. NASA/ESA/A. Feild (STScI)

De 'kosmische afstandsladder' steviger maken

Wetenschappers gebruiken een "kosmische afstandsladder' om vast te stellen hoe ver objecten zich van ons bevinden in het universum. 

Deze methode steunt op het maken van nauwkeurige metingen van de afstand tot nabijgelegen sterrenstelsels, en dan verder te gaan naar sterrenstelsels die verder en verder liggen, waarbij men hun sterren als mijlpalen gebruikt. Zo meet men eerst de afstand tot Cepheïden, variabele, pulserende en zeer heldere sterren, in de nabijgelegen Grote Magelhaense Wolk, vervolgens de afstand tot Cepheïden in verder af gelegen sterrenstelsels waarin ook - de eveneens zeer heldere - Type Ia supernova's  voorkomen, en vervolgens de afstand tot Type Ia supernova's in zeer ver weg gelegen sterrenstelsels.

Astronomen gebruiken deze waarden, samen met andere metingen van het licht van de sterrenstelsels dat roder wordt omdat het door een uitdijend universum passeert - de golflengte van het licht wordt ook uitgerekt en dus langer en roder -, om te berekenen hoe snel het universum in de loop van de tijd uitzet, een waarde die bekend staat als de constante van Hubble-Lemaître. Riess en zijn team van SH0ES (Supernovae H0 for the Equation of State) zijn al sinds 2005 op een missie om de metingen van die afstanden nauwkeuriger te maken, en de hubble-lemaîtreconstante te verfijnen. 

In deze nieuwe studie hebben de astronomen de Hubble gebruikt om 70 Cepheïden te observeren in de Grote Magelhaense Wolk, een satelliet-sterrenstelsel van onze Melkweg. Die observaties hielpen de astronomen om de afstandsladder te corrigeren door de vergelijking te verbeteren tussen die Cepheïden en hun neven in de meer verafgelegen sterrenstelsels waarin ook de zeer heldere supernova's te vinden zijn. Riess en zijn team konden zo de onzekerheid in hun waarde voor de hubble-lemaîtreconstante verkleinen van 2,2 procent naar 1,9 procent.   

En hoewel de metingen van het team preciezer zijn geworden, blijft hun berekening van de hubble-lemaîtreconstante hoger liggen dan de verwachte waarde op basis van de tweede techniek, gebaseerd op de uitzetting van het vroege universum. 

De metingen zijn zorgvuldig gecontroleerd, en de beide waarden zijn op verschillende manieren getest, dus de astronomen kunnen het verschil tussen de twee verschillende waarden niet toeschrijven aan een fout in een bepaalde meting of methode. 

"Dit gaat niet enkel over twee experimenten die niet overeenkomen", zei Riess. "We meten iets fundamenteel verschillend. Het ene is een meting van hoe snel het universum vandaag uitdijt, zoals we het kunnen zien. Het andere is een voorspelling gebaseerd op de fysica van het vroege universum, en op metingen van hoe snel het zou moeten uitdijen. Als deze waarden niet overeenkomen, wordt het zeer waarschijnlijk dat er iets ontbreekt in het kosmologisch model dat die twee tijdperken met elkaar verbindt."

Een video met een animatie van de 'kosmische afstandsladder' (in het Engels).

Hoe de nieuwe studie werd uitgevoerd

Astronomen gebruiken al meer dan een eeuw Cepheïden als kosmische meetlatten om korte intergalactische afstanden te meten. Maar resultaten voor een grote hoeveelheid van die sterren verkrijgen, nam zoveel tijd in beslag, dat het nauwelijks doenbaar was. En dus gebruikte het team een slimme, nieuwe methode, DASH genaamd (Drift and Shift), waarbij ze de Hubble  inzetten als een 'mik en schiet'-camera om snel beelden te schieten van de extreem heldere, pulserende sterren. Dat maakte het overbodig om de telescoop heel precies te richten, en dat is net wat veel tijd in beslag neemt.

"Als de Hubble zich erg precies gaat richten door zich vast te klikken aan een 'gidsster' en die te volgen, kan hij slechts één Cepheïde observeren per baan van 90 minuten om de aarde. En dan zou het erg duur worden voor de telescoop om elke Cepheïde te observeren", zo legde teamlid Stefano Casertano , ook van Johns Hopkins en STScI, uit. "In de plaats daarvan zochten we naar groepen van Cepheïden die dicht genoeg bij elkaar stonden om tussen hen te kunnen afwisselen, zonder dat we moesten herberekenen waarop de telescoop zich moest richten. De Cepheïden zijn zo helder dat we ze slechts gedurende twee seconden moeten observeren. Deze techniek laat ons toe om wel een dozijn Cepheïden te observeren tijdens één omloop." 

De Hubble-astronomen combineerden vervolgens hun resultaten met een andere reeks observaties, van het Araucaria Project, een samenwerking tussen astronomen uit Chili, de VS en Europa. Dit team verrichtte afstandsmetingen tot de Grote Magelhaense Wolk door het dimmen van het licht te observeren wanneer een ster voor zijn partner langstrekt in een dubbelstersysteem. 

Die gecombineerde metingen hielpen het SH0ES-team van Riess om de absolute helderheid van de Cepheïden nauwkeuriger te bepalen. Met dat accuratere resultaat kon het team vervolgens 'de bouten aanspannen' van de rest van de kosmische afstandsladder, die zich verder in de ruimte uitstrekt. 

De nieuwe schatting van de constante van Hubble-Lemaître is 74 kilometer per seconde per megaparsec. Dat betekent dat voor elke 3,26 miljoen lichtjaar (een megaparsec) dat een sterrenstelsel verder van ons af staat, het 74 kilometer per seconde sneller weg lijkt te bewegen, als gevolg van de uitdijing van het universum. Het wil ook zeggen dat het universum 9 procent sneller uitzet dan de voorspelling van 67 kilometer per seconde per megaparsec die berekend is aan de hand van de observatie van het vroege universum door de Planck-telescoop.

Een Engelstalige video van HubbleESA over de voortdurende discrepantie tussen de verschillende waarden voor de constante van Hubble-Lemaître. 

Wat kan het verschil verklaren?

Eén verklaring voor het verschil heeft te maken met een onverwacht opduiken in het vroege universum van donkere energie, waarvan men nu denkt dat ze goed is voor 70 procent van de totale inhoud van het universum.

Die theorie, die 'vroege donkere energie' genoemd wordt, is voorgesteld door astronomen van Johns Hopkins, en ze stelt dat het universum ontstaan is als in een toneelstuk met drie bedrijven. 

Astronomen werkten al langer met de hypothese dat er donkere energie bestond in de eerste seconden na de oerknal, dat die energie de materie doorheen de ruimte geduwd heeft en zo de eerste expansie in gang heeft gezet. Donkere energie zou ook de oorzaak kunnen zijn van de huidige versnelde expansie van het universum. De nieuwe theorie stelt voor dat er een derde episode met donkere energie is geweest, niet lang na de oerknal, die de uitdijing van het universum sneller heeft laten verlopen dan de astronomen voorspeld hadden. De aanwezigheid van deze 'vroege donkere energie' zou een verklaring kunnen zijn voor de spanning tussen de twee verschillende waarden voor de hubble-lemaîtreconstante, zo zei Riess.

Een ander idee is dat het universum een nieuw subatomair deeltje bevat dat zich voortbeweegt aan een snelheid die de lichtsnelheid benadert. Dergelijke snelle deeltjes worden 'donkere straling' genoemd, en ze omvatten deeltjes die we al kennen zoals neutrino's, die gevormd worden in nucleaire reacties en bij radioactief verval. 

Nog een andere aantrekkelijke mogelijkheid is dat donkere materie - een onzichtbare vorm van materie die niet bestaat uit protonen, neutronen en elektronen - sterkere interacties heeft met normale materie of met straling dan tot hiertoe werd aangenomen. 

Wat echter de juiste verklaring is, blijft voorlopig een raadsel. 

Ook Riess heeft geen antwoord op dit vervelende probleem, maar zijn team zal de Hubble-telescoop blijven gebruiken om de onzekerheden in de hubble-lemaîtreconstante kleiner te maken. Hun doel is de onzekerheid te herleiden tot 1 procent, wat de astronomen zou moeten helpen om de oorzaak van de discrepantie te achterhalen.

De resultaten van het team zijn aanvaard voor publicatie in The Astrophysical Journal Letters, en ze zijn nu al te raadplegen op arXiv.   

De Hubble ruimtetelescoop, in 1997 gefotografeerd vanuit het ruimteveer Discovery. NASA