Wetenschappers hebben de grootste 3D-kaart van het universum ooit gemaakt en daarmee verrassende nieuwe inzichten opgedaan. Het onderzoek bevestigt vooral opnieuw dat Einsteins ideeën over zwaartekracht nog steeds kloppen. Maar het beantwoordt ook een belangrijk vraagstuk dat wetenschappers al 25 jaar proberen te ontrafelen.
Meer dan een eeuw geleden veranderde Albert Einstein onze kijk op het universum met zijn algemene relativiteitstheorie. De theorie beschrijft zwaartekracht niet als een ‘trekkracht’ tussen objecten, zoals de theorie van Isaac Newton dat deed, maar als een kromming van de ruimte en tijd veroorzaakt door massa. Sinds de publicatie in 1915 heeft de theorie talloze tests op ‘kleine’ schaal glansrijk doorstaan. Van het buigen van licht rond de zon tot de precieze werking van GPS-systemen: Einstein had gelijk. Maar op kosmische schaal blijft de vraag: klopt zijn theorie daar ook?
Grootste 3D-kaart van het universum ooit
Het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), een van de meest geavanceerde instrumenten in de astronomie, heeft om de algemene relativiteitstheorie op de korrel te nemen de grootste test tot nu toe uitgevoerd. DESI werkt als een gigantische 3D-scanner van het universum. Het bestudeert het licht van miljoenen sterrenstelsels om een kaart te maken van de uitdijing van het universum. Dit maakt het mogelijk om de effecten van zwaartekracht op kosmische schaal te onderzoeken en te kijken of de algemene relativiteitstheorie nog steeds standhoudt.
Einstein blijft overeind
De resultaten van het onderzoek zijn baanbrekend. Volgens Mustapha Ishak-Boushaki, kosmoloog aan de Universiteit van Texas die betrokken is bij het onderzoek, bood DESI een unieke kans om zowel de beweging van sterrenstelsels als de clustering van materie te bestuderen. “We hebben zwaartekracht getest met twee parameters: de beweging en clustering van zware objecten zoals sterrenstelsels, en de beweging van licht”, vertelt hij in een interview aan Scientias.nl. De eerste resultaten zijn positief voor Einstein. “Onze data laten zien dat zwaartekracht op de grootste schaal consistent is met de algemene relativiteitstheorie”, zegt Ishak-Boushaki. Maar er zijn ook verrassingen. “Voor het eerst hebben we twee simultane resultaten: de data zijn in lijn met Einsteins zwaartekracht, maar wijst ook op een dynamische donkere energie.”
Doorbraak met donkere energie
Dat laatste is een doorbraak, zegt de wetenschapper. Donkere energie werd in 1998 voorgesteld toen wetenschappers ontdekten dat het universum steeds sneller uitdijt. De term ‘donkere energie’ werd gekozen omdat de aard van deze mysterieuze kracht onbekend is; het is ‘donker’ in de zin dat we het niet direct kunnen waarnemen of begrijpen binnen onze huidige natuurkunde. Toch zou donkere energie bijna 70 procent van alle energie en massa in het universum uitmaken, veel meer dan de ordinaire materie waaruit sterren, planeten en wijzelf uit bestaan.
Hoewel de algemene relativiteitstheorie met succes de zwaartekracht beschrijft, biedt deze geen verklaring voor deze donkere energie. Dit heeft geleid tot het idee van de ‘kosmologische constante’, een soort ingebouwde eigenschap van de ruimte zelf. Maar de DESI-gegevens suggereren dat donkere energie niet constant is, maar dynamisch en mogelijk afneemt in kracht. “We hebben ontdekt en blijven ontdekken dat donkere energie geen kosmologische constante is zoals we 25 jaar lang dachten. Donkere energie lijkt dynamisch te zijn en af te zwakken. Dat verandert de toekomst van de evolutie van het universum, dat niet eeuwig hoeft te versnellen in zijn uitdijing”, zegt Ishak-Boushaki.
Alternatieve theorieën blijven mogelijk
De bevindingen brengen ons een stap dichter bij het begrijpen van het universum. Hoewel we nog altijd niet weten wat donkere energie is, weten wetenschappers nu wel welke richting ze uit moeten. “De volgende stap is om het bewijs voor ons resultaat te vergroten, maar ook om dan te graven naar wat donkere energie precies is, nu we weten wat het niet is”, aldus Ishak-Boushaki. De resultaten sluiten bepaalde alternatieve zwaartekrachtstheorieën alvast uit, maar lang niet allemaal.
Veel van deze ‘modified theories of gravity’, zoals de Horndeski-theorieën, bouwen voort op de ideeën van Isaac Newton, die door de algemene relativiteitstheorie zijn overstegen. Horndeski-theorieën zijn een uitgebreide set zwaartekrachtmodellen die een extra component introduceren: een scalair veld, een type energieveld dat zich als een extra kracht gedraagt naast zwaartekracht. Deze theorieën proberen donkere energie te verklaren zonder de fundamenten van Einsteins theorie volledig los te laten. Maar Ishak-Boushaki is optimistisch dat ook veel van deze theorieën zullen worden weerlegd: “Met meer data in 2025 zullen we veel van deze alternatieve modellen kunnen uitsluiten.”
Op weg naar een exacte neutrinomassa
Naast donkere energie leverde DESI ook strakkere beperkingen op voor de massa van neutrino’s, sommige van de kleinste en meest raadselachtige bekende deeltjes in het universum. “Kosmologie is nu de nieuwe ‘deeltjesversneller.’ Onze bevindingen vullen metingen van neutrino-oscillaties op aarde perfect aan”, zegt Ishak-Boushaki. Neutrino’s, ook wel de ‘geestdeeltjes’ van het universum genoemd, danken hun bijnaam aan hun ongrijpbaarheid: ze hebben geen elektrische lading en zijn vrijwel massaloos. Terwijl je deze woorden leest, razen miljarden neutrino’s met bijna de lichtsnelheid door je lichaam, zonder dat je er iets van merkt.
Hoewel eerdere experimenten een ondergrens voor de massa van neutrino’s hebben vastgesteld, heeft DESI nu geholpen om een bovengrens te bepalen. Dit geeft wetenschappers een preciezer bereik voor hun massa. Het vaststellen van een boven- én ondergrens is essentieel, omdat het ons helpt te verklaren hoe ze passen in het grotere kosmologische plaatje. Neutrino’s blijven de enige fundamentele deeltjes waarvan de massa’s nog niet precies zijn bepaald, maar dankzij DESI is dat raadsel nu een stap dichter bij een oplossing.
Volgend jaar meer
Met DESI nu in zijn vierde jaar, staan onderzoekers te popelen om meer gegevens te analyseren. Zij gaan trachten om de dynamische aard van donkere energie verder te bewijzen, zegt Ishak-Boushaki. “We hopen in 2025 meer bewijs te verzamelen met nieuwe gegevens. Onze resultaten van deze herfst zijn echter baanbrekend. Dat donkere energie dynamisch is, is de belangrijkste ontdekking sinds de kosmische versnelling zelf in 1998 werd ontdekt.”
