De blauwe delen van het universum zetten trager uit dan verwacht, de gele sneller.
© Konstantinos Nikolaos Migkas, Uni Bonn/Astronomy & Astrophysics

Moet kosmologie herdacht worden? Expansie van het universum is mogelijk niet eenvormig

Astronomen nemen al tientallen jaren aan dat het universum aan dezelfde snelheid uitzet in alle richtingen. Een nieuwe studie gebaseerd op gegevens van röntgenobservatoria doet nu veronderstellen dat deze uiterst belangrijke vooronderstelling van de kosmologie verkeerd zou kunnen zijn. Clusters van sterrenstelsels blijken zich verschillend te gedragen afhankelijk van de richting waarin men kijkt. 

Konstantinos Migkas, een onderzoeker in astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Bonn en zijn supervisor Thomas Reipreich wilden oorspronkelijk een nieuwe methode verifiëren die astronomen zou toelaten de zogenoemde isotropie-hypothese te testen. 

Isotropie betekent uniformiteit, gelijkaardigheid in alle richtingen, en volgens de isotropie-hypothese heeft het universum, ondanks enkele plaatselijke verschillen, op grote schaal bekeken dezelfde eigenschappen in alle richtingen.

De hypothese is algemeen aanvaard als een uitvloeisel van voldoende bewezen fundamentele fysica, en ze wordt ondersteund door waarnemingen van de kosmische achtergrondstraling (CMB, cosmic microwave background (radiation)). Die achtergrondstraling is een rechtstreeks overblijfsel van de big bang, de oerknal, en ze weerspiegelt de toestand van het universum in zijn kindertijd, toen het slechts zo'n 380.000 jaar oud was. 

De gelijkvormige verdeling over de hemel van de kosmische achtergrondstraling suggereert dat in de beginjaren het universum zich snel heeft uitgezet, en aan dezelfde snelheid, in alle richtingen. 

Het zou echter kunnen dat dit in het universum van vandaag niet langer waar is. 

De klassieke visie op de evolutie van het heelal gedurende 13,77 miljard jaar. Links de big bang, gevolgd door een periode van 'inflatie', die een exponentiële groei van het universum veroorzaakte. Het 'Afterglow Light Pattern 375.000 yrs' is de kosmische achtergrondstraling die we nog steeds uit die tijd kunnen waarnemen. De volgende miljarden jaren vertraagde de expansie van het heelal gaandeweg, door de aantrekkende effecten van de materie in het universum door de zwaartekracht. De laatste tijd is de expansie opnieuw beginnen te versnellen omdat de afstotende kracht van donkere energie de expansie is gaan domineren.
NASA/Public domain

Clusters van sterrenstelsels

Sterrenstelsels zoals onze Melkweg zijn niet gelijkmatig verdeeld in de ruimte maar ze zitten gegroepeerd in zogenoemde clusters van sterrenstelsels, die door de zwaartekracht bij elkaar worden gehouden.

Kleine clusters van een vijftigtal sterrenstelsels noemt men een groep, onze Melkweg maakt deel uit van de Lokale Groep, grotere clusters van honderden tot duizenden sterrenstelsels noemt men een samenstel. Clusters kunnen op hun beurt weer deel uitmaken van een groter geheel, een supercluster. Onze lokale groep behoort samen met de Virgo cluster tot de Virgo supercluster. 

Clusters van sterrenstelsels bestaan uit 90 procent donkere materie, die niet gezien kan worden, 1 procent sterrenstelsels, direct zichbare materie, en 9 procent intergalactisch gas. Dat gas is bijzonder heet, van enkele tientallen miljoenen Kelvin tot 170 miljoen Kelvin, waardoor het röntgenstraling uitstraalt. En het zijn waarnemingen van die straling die erop wijzen dat het universum wel eens niet isotroop zou kunnen zijn maar anisotroop, niet uniform in alle richtingen. 

Hete röntgenstraling (purper) van zes clusters van sterrenstelsels, gemeten door het Chandra X-ray Observatory van de NASA.
Smithsonian Institution/No restrictions

Minder helder en helderder

"Samen met collega's van de Universiteit van Bonn en Harvard University keken we naar het gedrag van meer dan 800 clusters van sterrenstelsels in het huidige universum", zei Migkas. "Als de isotropie-hypothese juist zou zijn, zouden de eigenschappen van de clusters uniform zijn in heel de hemel. Maar in werkelijkheid zagen we significante verschillen."

De onderzoekers gebruikten röntgen-temperatuurmetingen van het extreem hete gas waarvan de clusters doordrongen zijn, van de röntgenobservatoria XMM-Newton van de ESA, Chandra van de NASA en het door de Duitsers geleide ROSAT, en ze vergeleken die gegevens met de helderheid van de clusters in de hemel.

Clusters met dezelfde temperatuur die op een vergelijkbare afstand staan, zouden even helder moeten zijn. Maar dat is niet wat de astronomen waarnamen.  

"We zagen dat clusters met dezelfde eigenschappen, met gelijkaardige temperaturen, minder helder leken dan we zouden verwachten in één richting van de hemel, en helderder dan we verwachten in een andere richting", zei Reiprich. "Het verschil was behoorlijk significant, rond 30 procent. Deze verschillen zijn niet willekeurig maar vertonen een duidelijk patroon afhankelijk van de richting waarin we de hemel observeerden." 

De illustratie van bovenaan in haar geheel. De kleurencode geeft de snelheid aan waarmee het universum zich uitbreidt. De gele gebieden gaan sneller dan verwacht, de blauwe net trager. In een isotropisch universum zou het beeld volledig rood zijn, aangezien het hele universum aan dezelfde snelheid zou uitzetten.
© Konstantinos Nikolaos Migkas, Uni Bonn/Astronomy & Astrophysics

Andere verklaringen lijken onwaarschijnlijk

Voor ze het algemeen aanvaarde kosmologische model in vraag gingen stellen, een model dat de basis vormt voor de schattingen van de afstanden tot de clusters, keken Migkas en zijn collega's eerst naar andere mogelijke verklaringen. 

Misschien verduisterden niet ontdekte wolken van gas of stof het zicht op de clusters, en zorgden ze ervoor dat de clusters in een bepaalde richting minder helder leken. Totaal uitgesloten is het niet, maar de gegevens ondersteunen dit scenario niet. 

In sommige gebieden in de ruimte zou de verdeling van de clusters invloed kunnen ondervinden van wat 'bulk flows' genoemd worden, grootschalige bewegingen van materie die veroorzaakt worden door de aantrekking van de zwaartekracht van extreem zware structuren zoals grote groepen van clusters.

Ook deze hypothese lijkt evenwel onwaarschijnlijk.  

Samengesteld beeld op basis van rôntgen- en visuele en bijna infrarode gegevens van de röntgenstraling van het hete gas (purper) in cluster XLSSC006, die een massa heeft van zo'n 500 biljoen keer die van de zon. In dit beeld zijn een groot aantal andere sterrenstelsels te zien, waarvan sommige dichter bij de aarde liggen zoals het spiraalvormige sterrenstelsel rechts bovenaan, en andere verder. Ook zichtbaar zijn enkele sterren uit onze Melkweg op de voorgrond, die de typische diffractie van het licht vertonen, vier stralen in de vier windrichtingen (iets naar rechts van het midden, bovenaan en onderaan). De purperen stippen die verspreid over het beeld liggen, zijn enkelvoudige bronnen van röntgenstraling, waarvan er veel voorbij onze Melkweg liggen.
ESA/XMM-Newton (X-rays); CFHT-LS (optical); XXL Survey

Paradigmaverschuiving

Onderzoeker Migkas zei dat de bevindingen een verrassing waren voor het team. 

"Als het universum echt anisotropisch is, zelfs alleen maar gedurende de laatste paar miljarden jaren, zou dat een enorme paradigmaverschuiving betekenen omdat er rekening zou moeten gehouden worden met de richting van elk object waarvan we de eigenschappen willen analyseren", zei hij. 

"Zo schatten we vandaag bijvoorbeeld de afstand tot zeer veraf gelegen objecten in het universum door een reeks van kosmologische parameters en vergelijkingen toe te passen. We nemen aan dat die parameters overal hetzelfde zijn. Maar als onze conclusies juist zijn, dan zou dat niet het geval zijn, en zouden we al onze eerdere gevolgtrekkingen moeten herzien." 

Een paradigmaverschuiving is een soort van revolutie in de wetenschap, een ontwikkeling, een nieuwe ontdekking, die de wetenschappers dwingt zich een nieuw beeld van de werkelijkheid te vormen en oude theorieën te verwerpen. 

"Dit is een bijzonder fascinerend resultaat", zei Norbert Schartel, een onderzoeker aan het XMM-Newton-project van de ESA. "Eerdere studies hebben gesuggereerd dat het huidige universum mogelijk niet gelijk uitzet in alle richtingen, maar dit resultaat - de eerste keer dat een dergelijke test is uitgevoerd met clusters van sterrenstelsels in röntgenstraling - heeft een veel grotere significantie en ook een groot potentieel voor toekomstige onderzoeken." 

Voorstelling van de XMM-Newton-satelliet (X-ray Multi-Mirror Mission - Newton) van de ESA.
NASA/Public domain

Donkere energie? Meer onderzoek nodig

De wetenschappers speculeren dat dit mogelijk ongelijk effect op de expansie van het heelal misschien veroorzaakt zou kunnen worden door donkere energie, het mysterieuze onderdeel van het universum dat goed is voor het grootste deel - zo'n 69 procent - van de totale energie van het heelal. Over donkere energie is momenteel nog maar erg weinig geweten, behalve dan dat het er naar uitziet dat ze de laatste paar miljarden jaren de expansie van het heelal aan het versnellen is. 

De geplande Euclid-telescoop van de ESA, die ontworpen is om beelden te maken van miljarden sterrenstelsels en om nauwgezet onderzoek te doen naar de expansie van het universum, de versnelling ervan en de aard van donkere energie, zou kunnen helpen om dit mysterie in de toekomst op te lossen. 

"De bevindingen zijn erg interessant maar het staal dat bekeken werd in de studie, is wel nog tamelijk klein om dergelijke verstrekkende conclusies te trekken", zei René Laureijs, een onderzoeker bij het Euclid-project van de ESA. "Dit is het beste wat men kon maken van de beschikbare gegevens, maar als we echt het algemeen aanvaarde kosmologische model zouden gaan herdenken, hebben we meer gegevens nodig." 

En Euclid zou daar voor kunnen zorgen. Het ruimtetuig, dat gelanceerd moet worden in 2022, zou niet enkel aanwijzingen kunnen vinden dat donkere energie het universum inderdaad ongelijk uitrekt in verschillende richtingen, het zal onderzoekers ook toelaten meer gegevens te verzamelen over een groot aantal clusters van sterrenstelsel, die de huidige bevindingen kunnen ondersteunen of weerleggen. 

Meer gegevens zullen weldra ook beschikbaar zijn dankzij het röntgen eROSITA-instrument, dat door het Max Planck Institute for Extraterrestrial Physics werd gebouwd. eROSITA bevindt zich aan boord van de onlangs gelanceerde Duits-Russische Spektr-RG-satelliet en zal voor het eerst een onderzoek van de gehele hemel uitvoeren in het spectrum van de medium energy X-rays. Daarbij zal de nadruk liggen op het ontdekken van tienduizenden tot nu toe onbekende clusters van sterrenstelsels en centra van actieve sterrenstelsels. 

De studie van de onderzoekers van het Argelander-Institut für Astronomie van de Universität Bonn en het Center for Astrophysics van Harvard & Smithsonian is gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics. Dit artikel is gebaseerd op een persbericht van het European Space Agency ESA. 

Een video (Engels) van de ESA/Planck Collaboration over de nieuwe studie.

Meest gelezen