Hoe snel dijt het heelal uit? Op die vraag vinden we, tot grote frustratie van astronomen, verschillende antwoorden. Een nieuwe truc moet dat probleem oplossen.

Hoe verder een sterrenstelsel van ons vandaan staat, hoe sneller het van ons vandaan beweegt. Dat stelden verschillende astronomen, waaronder de Amerikaan Edwin Hubble, in de eerste decennia van de twintigste eeuw vast. Dit is het gevolg van het feit dat het heelal sinds de oerknal uitdijt. Maar met welke snelheid doet het dat? Daarover wordt de laatste jaren flink gediscussieerd: verschillende meetmethodes geven verschillende antwoorden.

Nu stellen de Amerikaanse astrofysici Francis-Yan Cyr-Racine (Universiteit van New Mexico), Fei Ge en Lloyd Knox (beide Universiteit van Californië te Davis) een uitweg voor. Als we het vroege heelal op de juiste manier manipuleren én aannemen dat zogenoemde spiegeldeeltjes bestaan, kunnen we uitkomen op één uitdijsnelheid van het heelal.

Hubblespanning

Waar het bij deze discussie om draait, is de zogenoemde hubbleconstante. Die geeft weer hoe snel een sterrenstelsel dat zich op een bepaalde afstand hiervandaan bevindt van ons weg beweegt. Als je de waarde van deze constante bepaalt op basis van veranderlijke sterren en supernova-explosies, kom je uit op 73 kilometer per seconde per megaparsec. (Oftewel: een stelsel op één megaparsec afstand – ruim 30 triljoen kilometer – beweegt met 73 kilometer per seconde bij ons vandaan.)

Maar datzelfde getal kun je ook halen uit de oudste straling die we kunnen zien: de kosmische achtergrondstraling. Die ontstond zo’n 370.000 jaar na de oerknal, toen het heelal doorzichtig werd, en is nu te zien als straling met een temperatuur van -270 graden Celsius die ons vanuit alle richtingen bereikt (zie de afbeelding boven dit bericht). En op grond van deze straling zou de hubbleconstante 67 kilometer per seconde per megaparsec moeten bedragen. Het verschil tussen beide waardes staat bekend als de hubblespanning.

Grotere cake

Cyr-Racine, Ge en Knox denken nu een manier te hebben gevonden om die spanning weg te nemen. Volgens hen kun je het vroege heelal ‘opschalen’. Dat wil zeggen: elke lengte en elke tijd vermenigvuldig je met een bepaalde factor. Zo kun je ervoor zorgen dat de hubbleconstante die de kosmische achtergrondstraling oplevert, net zo groot wordt als de hubbleconstante bepaald met sterrenkundige objecten.

“Vergelijk het met het bakken van een cake”, zegt Knox. “Stel dat je de hoeveelheden van alle ingrediënten verdubbelt. Dan krijg je natuurlijk een grotere cake, maar elk hapje zou nog steeds dezelfde ingrediënten in dezelfde verhoudingen bevatten, en dus hetzelfde smaken.”

Onzichtbaar licht

Nu kun je het heelal niet zomaar opschalen. Als je dat doet, wordt namelijk ook de dichtheid van fotonen – lichtdeeltjes – in het vroege heelal groter. En zo’n hogere fotonendichtheid strookt niet met waarnemingen aan de kosmische achtergrondstraling, gedaan door het FIRAS-instrument aan boord van de COBE-satelliet, vertelt Knox.

Dat lossen hij en zijn collega’s op door die extra fotonen ergens anders vandaan te halen. “Wij voegen zogenoemde donkere fotonen toe”, zegt Knox. “Die zijn onzichtbaar voor FIRAS, en ontwijken zo de beperkingen die de FIRAS-waarnemingen ons opleggen.”

Familie van ‘donker spul’

Met alleen donkere fotonen ben je er vervolgens niet. Zoals gezegd ontstond de kosmische achtergrondstraling toen het heelal doorzichtig werd. De oorzaak: daarvóór bestond het heelal uit losse geladen deeltjes, die continu licht absorbeerden en weer uitzonden. 370.000 jaar na de oerknal voegden die geladen deeltjes zich samen tot neutrale atomen, die zich veel minder met het licht bemoeiden. Daardoor kon licht pas vanaf dat moment veel verder reizen; het heelal werd transparant.

Voor donkere fotonen moet dan hetzelfde gelden, willen ze hun rol spelen in het wegnemen van de hubblespanning. Maar dan moeten er destijds ook donkere geladen deeltjes zijn geweest, die donkere atomen vormden die het heelal transparant maakten voor donkere fotonen. Oftewel: je hebt een hele familie nodig aan ‘donker spul’ om dit scenario mogelijk te maken.

Spiegeldeeltjes

Nu komt al dat donkere spul niet helemaal uit de lucht vallen. Er is flink wat wetenschappelijke literatuur over deze zogenoemde spiegeldeeltjes. Feitelijk zijn dat kopieën van de ons bekende deeltjes, waar we bijna niets van merken. Alleen via de zwaartekracht – en eventuele nieuwe, zwakke krachten – hebben gewone deeltjes en spiegeldeeltjes interactie met elkaar. “Daardoor merken we niets van deze deeltjes”, zegt Knox. “Ze vliegen gewoon door ons heen.”

Zulke spiegeldeeltjes zijn bedacht om andere theoretische problemen in de natuur- en sterrenkunde op te lossen – en zouden dus ook de hubblespanning weg kunnen nemen. Als ze bestaan, want daar is op het moment nul experimenteel bewijs voor.

Nieuw pad

Ook als we het bestaan van spiegeldeeltjes, inclusief donkere fotonen, aannemen, zijn we er trouwens nog niet. Zoals je een twee keer zo grote cake langer zult moeten bakken om hem gaar te krijgen, zo blijft ook niet alles hetzelfde als je het heelal opschaalt. Onder meer de hoeveelheid helium die zo’n heelal bevat, klopt niet met wat we in ons heelal waarnemen.

Dat is inderdaad een groot, openstaand probleem, zegt Knox. “Wij – en anderen – hebben daar wel ideeën over, maar of die werken, moet nog blijken. We hebben dus geen volledige oplossing voor het probleem rond de hubbleconstante aangeleverd, maar een mogelijk nieuw pad gevonden ríchting zo’n oplossing.”