De sterrenstelsels die zijn uitgekozen uit een programma van de Hubble-ruimtetelescoop om de hubble-lemaître-constante te berekenen. NASA, ESA, W. Freedman (University of Chicago), ESO, and the Digitized Sky Survey

Nieuwe meting snelheid uitdijen heelal lost mysterie niet op

Astronomen hebben een nieuwe meting verricht van de snelheid waarmee het heelal uitdijt, de zogenoemde hubble-lemaître-constante, door gebruik te maken van een compleet andere soort ster dan bij vorige metingen. De nieuwe meting, die berekend werd aan de hand van waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop, valt in het midden tussen de vorige schattingen en metingen. Ze biedt dus geen oplossing voor een van de meest besproken vragen in de astrofysica, die uiteindelijk zou kunnen leiden tot een nieuwe interpretatie van de fundamentele eigenschappen van het universum.  

Wetenschappers weten al bijna honderd jaar lang dat het heelal uitzet, wat betekent dat de afstanden tussen de sterrenstelsels elke seconde nog veel groter worden. Maar de juiste snelheid waarmee die uitdijing verloopt, een waarde die de constante van Hubble-Lemaître genoemd wordt, blijft zich koppig verbergen voor de wetenschap. 

Nu hebben professor Wendy Freedman van de University of Chicago en haar collega's een nieuwe meting verricht van de snelheid waarmee het heelal nu uitdijt, en het antwoord wijst er opnieuw op dat de afstand tussen de sterrenstelsels sneller toeneemt dan de wetenschappers verwachtten. 

Naast de studie van Freedman zijn er recent nog een aantal andere geweest die duidelijk maken dat er een vervelende discrepantie bestaat tussen de moderne metingen van de expansiesnelheid en de voorspellingen die gebaseerd zijn op het universum zoals het meer dan 13 miljard jaar geleden was. Die toestand van het universum onmiddellijk na de oerknal is dan weer gebaseerd op de kosmische achtergrondstraling, een overblijfsel van het eerste licht dat ooit in het universum kon schijnen, en die achtergrondstraling is gemeten door de Planck-satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA. 

Nu er meer onderzoek wijst op een verschil tussen de voorspellingen en de waarnemingen, vragen wetenschappers zich af of ze mogelijk met een nieuw model voor de dag zullen moeten komen voor de basisprincipes van de fysica in het universum, om dat verschil te verklaren. 

"De hubble-constante is de cosmologische parameter die de absolute schaal, grootte en ouderdom van het universum bepaalt, het is een van de meest directe manieren die we hebben om te kwantificeren hoe het universum evolueert", zei Freedman in een persmedeling van Goddard Space Flight Center van de NASA. "De discrepantie die we eerder al zagen is niet verdwenen, maar deze nieuwe aanwijzingen duiden erop dat de jury nog niet tot een beslissing is gekomen over de vraag of er een onmiddellijke en dwingende reden is om aan te nemen dat er iets fundamenteel verkeerd zit in ons huidige model van het universum."

In hun nieuwe studie kondigden Freedman en haar team een nieuwe meting aan van de hubble-lemaître-constante op basis van een soort ster die bekend staat als een rode reus. Hun nieuwe waarnemingen, verricht met de Hubble-ruimtetelescoop, geven aan dat de uitdijingssnelheid voor het nabijgelegen universum net onder 70 kilometer per seconde per megaparsec ligt (km/sec/Mpc). Een parsec komt overeen met een afstand van 3,26 lichtjaar of 31 biljoen kilometer, een megaparsec is een miljoen parsec.  

Die meting is iets kleiner dan de waarde van 74 km/sec/Mpc die het Hubble SH0ES-team onlangs meldde op basis van Cepheïden, sterren die met regelmatige intervallen pulseren, en die pulsen stemmen overeen met hun grootste helderheid. Dit team, onder leiding van Adam Riess van de Johns Hopkins University en het Space Telescope Science Institute in Baltimore, heeft onlangs zijn waarnemingen nog verfijnd, en zo de hoogste precisie bereikt tot nu toe voor de techniek met de afstanden tot de Cepheïden.

De volledige foto van bovenaan het artikel. Deze sterrenstelsels zijn uitgekozen uit een programma van de Hubble-telescoop om de hubble-lemaîtreconstante te meten. De waarde daarvan wordt berekend door de afstanden tot de sterrenstelsels te vergelijken met de schijnbare snelheid waarmee ze zich van de aarde weg bewegen (verder af gelegen sterrenstelsels bewegen zich sneller weg). Door de helderheid van de rode reuzen in de sterrenstelsels te vergelijken met nabijgelegen rode reuzen, waarvan de afstanden berekend werden met andere methoden, zijn astronomen in staat vast te stellen hoe ver weg elk van de 'gastheersterrenstelsels' ligt. De sterrenstelsels in kwestie staan bovenaan, in de middenrij is het hele gezichtsveld van  de Hubble te zien, de onderste rij zoomt in op een stuk daarvan, de rode reuzen zijn aangeduid met een gele cirkel. Naar de rode reuzen werd gezocht in de galactische halo van de sterrenstelsels, een min of meer bolvormige ruimte die een sterrenstelsel omsluit en waarin de zwaartekracht van het stelsel nog voelbaar is.   NASA, ESA, W. Freedman (University of Chicago), ESO, and the Digitized Sky Survey

Hoe de uitdijing te meten

Een belangrijke uitdaging bij het meten van de uitdijingssnelheid is het feit dat het erg moeilijk is om de afstand tot verafgelegen objecten nauwkeurig te berekenen. 

In 2001 leidde Freedman een team dat verafgelegen sterren gebruikte om tot een baanbrekende berekening van de hubble-lemaîtreconstante te komen. Het Hubble Space Telescope Key Project berekende de waarde aan de hand van Cepheïden als mijlpalen voor de afstand. Het team kwam tot het besluit dat de waarde voor de constante in ons universum 72 km/sec/Mpc was. 

Meer recent hebben wetenschappers echter een totaal andere benadering gevolgd en een model ontworpen, gebaseerd op de golvende structuur van het licht dat overblijft van na de oerknal. Dat wordt de kosmische achtergrondstraling genoemd en het is gemeten door het Planck Observatory. De metingen van Planck lieten de wetenschappers toe om te voorspellen hoe het vroege universum waarschijnlijk geëvolueerd is naar de uitdijingssnelheid die we vandaag kunnen meten. En zo kwamen ze tot een uitdijingssnelheid van 67,4 km/sec/Mpc, wat aanzienlijk verschilt van de snelheid van 74 of 72 km/sec/Mpc die gemeten wordt aan de hand van de Cepheïden. 

Sindsdien zoeken astronomen verwoed naar iets dat dit verschil zou kunnen veroorzaken. "Uiteraard vraagt men zich af of de discrepantie veroorzaakt wordt door een of ander aspect dat astronomen nog niet begrijpen in verband met de sterren die we meten, of dat ons kosmologisch model van het universum nog onvolledig is", zei Friedman. "Of misschien moeten ze wel allebei verbeterd worden." 

Een beeld van de Hubble van de ster Betelgeuse of Alpha Orion, de helderste ster in het sterrenbeeld Orion. Betelgeuse is een rode reus en is zwaarder en meer dan 1.000 keer groter dan de zon. Betelgeuse ligt erg dicht bij de aarde, zo'n 600 lichtjaar ver, en de ster nadert het einde van haar leven, het ogenblik waarop ze een supernova zal worden. Als dat gebeurt, zullen we het hier op aarde met het blote oog kunnen zien want de ster zal dan waarschijnlijk een tijdje zo helder als de maan zijn. A. Dupree (CfA), R. Gilliland (STScI), NASA

Rode reuzen

Bepaalde sterren eindigen hun leven als een zeer heldere ster die een rode reus genoemd wordt, een stadium in de evolutie dat ook onze zon binnen miljarden jaren zal meemaken. Op een bepaald punt ondergaat de ster een catastrofale gebeurtenis die een 'helium flash' genoemd wordt, waarbij de temperatuur stijgt tot zo'n 100 miljoen graden en de structuur van de ster herschikt wordt, iets dat uiteindelijk de helderheid van de ster zeer sterk doet afnemen. 

De helium flash zorgt er voor dat alle rode reuzen op dat ogenblik dezelfde piek in hun helderheid meemaken, ze schijnen dus allemaal even fel, en daardoor kunnen ze gebruikt worden als mijlpalen om de afstand te bepalen. Astronomen meten de schijnbare helderheid van de rode reuzen in verschillende sterrenstelsels, en kunnen die gebruiken om de afstand te bepalen. Een rode reus die verder af staat en in werkelijkheid even fel schijnt als een nabijgelegen rode reus, lijkt immers minder helder te zijn, net omdat hij verder weg staat. 

De constante van Hubble-Lemaître wordt dan berekend door de waarden voor de afstanden te vergelijken met de schijnbare snelheid waarmee de sterrenstelsels waar de rode reuzen in liggen, de 'gastheerstelsels', zich van ons weg lijken te begeven. 

"Ons eerste idee was dat, als er een probleem is dat moet opgelost worden tussen de Cepheïden en de kosmische achtergrondstraling, dat dan de rode-reuzen-methode misschien de 'beslissingswedstrijd' kon zijn", zei Freedman.

Maar uit de resultaten blijkt niet echt een duidelijke voorkeur voor het ene antwoord boven het andere, zo zeggen de onderzoekers, ook al sluiten ze wel beter aan bij de resultaten van de Planck-methode, de kosmische achtergrondstraling. 

Voorlopig is het wachten op betere telescopen om mogelijk een antwoord te vinden. Verwacht wordt dat de Wide Field Infrared Survey Telescope (WFIRST), die de NASA in 2020 wil lanceren, de astronomen de kans zal bieden om de waarde van de hubble-lemaîtreconstante beter te onderzoeken. WFIRST zal een resolutie hebben die lijkt op die van de Hubble, maar een 100 keer groter gezichtsveld, en de telescoop zal een overvloed aan nieuwe Type Ia supernova's, Cepheïden en rode reuzen verschaffen die de metingen van de afstanden tot verafgelegen en nabije sterrenstelsels fundamenteel zal verbeteren. 

De studie van professor Freedman en haar collega's is aanvaard voor publicatie in The Astrophysical Journal. Dit artikel is gebaseerd op een persmededeling van het Goddard Space Flight Center van de NASA. 

Vergelijking tussen de grootte van onze zon nu en als een rode reus. Een AU is een astronomische eenheid die overeenstemt met de gemiddelde afstand tussen de aarde en de zon, zo'n 149,6 miljoen kilometer. Oona Räisänen/Wikilmedia Commons/CC BY-SA 3.0