Het universum dijt volgens nieuw onderzoek op een veel dynamischere, ‘klonterige’ manier uit. En daardoor wordt het idee van donkere energie overbodig.
Eén van de grootste mysteries in de wetenschap is ongetwijfeld donkere energie. Donkere energie zou zo’n 70 procent van het universum uitmaken en de drijvende kracht zijn achter de versnelde uitdijing van het heelal. Eén probleem: het kan niet direct worden waargenomen en wetenschappers begrijpen niet precies wat het is of hoe het werkt. Maar een nieuwe studie zet alles op zijn kop: onderzoekers beweren nu overtuigend bewijs te hebben gevonden dat donkere energie misschien helemaal niet bestaat. Is donkere energie dan toch een illusie?
Donkere energie
Even voor de duidelijkheid: donkere energie is een hypothetische vorm van energie die wetenschappers gebruiken om te verklaren waarom het universum steeds sneller uitdijt. Het concept werd geïntroduceerd in de late jaren 90, toen waarnemingen van verre supernovae aantoonden dat de uitdijing van het heelal niet vertraagt, zoals verwacht, maar juist versnelt. Wetenschappers weten niet hoe dit komt, maar vermoeden dat ‘donkere energie’ de veroorzaker is. Dit fenomeen is het tegenovergestelde van zwaartekracht en heeft dus juist een ‘afstotend’ effect.
Gelijkmatige uitdijing
Al honderd jaar lang gaan natuurkundigen ervan uit dat het universum zich gelijkmatig in alle richtingen uitdijt. Om de onbekende krachten die dit veroorzaken te verklaren, introduceerden ze het concept van donkere energie. Maar deze omstreden theorie had altijd zijn tekortkomingen. Nu stelt een team van natuurkundigen en astronomen van de Universiteit van Canterbury deze gevestigde opvatting ter discussie. Door verbeterde analyses van de lichtcurven van supernovae tonen ze namelijk aan dat het universum zich niet gelijkmatig, maar juist op een veel variabelere, ‘klonterige’ manier uitdijt. Voor het idee van donkere energie is dan helemaal geen noodzaak meer.
Lambda Cold Dark Matter-model
Het betekent dat mogelijk het gebruikelijke Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM)-model niet klopt. Dit model heeft donkere energie nodig om de versnelling van de uitdijing van het heelal te verklaren. Wetenschappers trekken deze conclusie uit metingen van de afstanden tot supernova-explosies in verre sterrenstelsels. Deze blijken verder weg te zijn dan we zouden verwachten, als het universum niet versneld zou uitdijen.
Vraagtekens
Nieuwe waarnemingen zetten echter steeds vaker vraagtekens bij de huidige snelheid van de uitdijing van het universum. Ten eerste laat bewijs uit de nagloed van de oerknal zien dat de vroege uitdijing van het universum niet overeenkomt met de huidige snelheid. Dit staat bekend als de ‘Hubble-spanning’. Daarnaast heeft een recente analyse van nieuwe, zeer gedetailleerde gegevens van het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) laten zien dat het ΛCDM-model minder goed past dan modellen waarin donkere energie in de loop van de tijd verandert, in plaats van constant te blijven.
Friedmann-vergelijking
Zowel de Hubble-spanning als de onverwachte ontdekkingen van DESI zijn lastig te verklaren in modellen die vertrouwen op de vereenvoudigde, 100 jaar oude kosmische uitdijingswet – de Friedmann-vergelijking. Deze veronderstelt dat het universum gelijkmatig uitdijt, alsof alle kosmische structuren in een structuurloze soep zijn gemengd. Maar in werkelijkheid is het universum een complex kosmisch web van sterrenstelselclusters, geordend in vlakken en filamenten die uitgestrekte lege ruimten doorkruisen.
Timescape model
Het nieuwe bewijs geeft steun aan het zogenoemde timescape-model van kosmische uitdijing. In dit model is donkere energie overbodig, omdat de verschillen in het uitrekken van licht niet veroorzaakt worden door een versneld uitdijend universum, maar door de manier waarop wij tijd en afstand meten. Het model houdt rekening met het feit dat zwaartekracht de tijd vertraagt, waardoor een ideale klok in de lege ruimte sneller tikt dan een klok binnen een sterrenstelsel.
Volgens het model zou een klok in de Melkweg zo’n 35 procent trager lopen dan een klok in de uitgestrekte leegtes van het heelal. In die leegtes zouden miljarden jaren meer verstreken zijn, wat meer ruimte-uitdijing mogelijk maakt. Dit zorgt ervoor dat het lijkt alsof de uitdijing versnelt.
“Onze bevindingen laten zien dat donkere energie niet nodig is om te begrijpen waarom het universum lijkt te versnellen in zijn uitdijing”, verklaart onderzoeksleider David Wiltshire. “Donkere energie is een verkeerde interpretatie van variaties in de kinetische energie van de uitdijing, die niet uniform is in een universum dat zo klonterig is als het onze.”
Euclid-satelliet
De onderzoekers stellen dat de Euclid-satelliet van de Europese Ruimtevaartorganisatie, die in juli 2023 werd gelanceerd, de kracht heeft om de Friedmann-vergelijking te testen en te onderscheiden van het timescape-alternatief. Hiervoor zijn echter minstens 1.000 onafhankelijke, hoogwaardige waarnemingen van supernovae nodig. De verwachtingen zijn echter hooggespannen. Bij een eerdere test van het voorgestelde timescape-model in 2017 bleek de analyse net iets beter te passen dan het ΛCDM-model als verklaring voor de kosmische uitdijing.
Sterk bewijs
Volgens de onderzoekers bieden de nieuwe gegevens nu ‘zeer sterk bewijs’ voor het timescape-model. Dit zou ook wel eens de sleutel kunnen zijn tot het oplossen van de Hubble-spanning en andere verrassende ontdekkingen over de uitdijing van het universum. “Het onderzoek biedt krachtig bewijs dat enkele grote vraagstukken over de eigenaardigheden van ons uitdijende universum mogelijk opgelost kunnen worden”, zo stelt Wiltshire. ”Met nieuwe gegevens zou het grootste mysterie van het universum wel eens voor het einde van dit decennium ontrafeld kunnen zijn.”
Dat zou natuurlijk geweldig zijn. Verder onderzoek met de Euclid-satelliet en de Nancy Grace Roman Space Telescope zijn echter essentieel om het timescape-model sterker te onderbouwen. De race is nu begonnen om deze nieuwe gegevens te gebruiken om de ware aard van kosmische uitdijing en donkere energie te ontrafelen.
