Met behulp van Webb hebben astronomen eerdere metingen van de Hubble-telescoop over de uitdijing van het universum geverifieerd. Opvallend genoeg komen beide ruimtetelescopen tot dezelfde conclusie. En dus is het mysterie van de hubbleconstante nog steeds niet opgelost.
Astronomen proberen al jaren te achterhalen hoe snel ons universum uitdijt. Hiervoor gebruiken ze de hubbleconstante; de kosmologische parameter die de absolute schaal, grootte en leeftijd van het universum bepaalt. Het is een van de meest directe manieren om erachter te komen hoe het universum evolueert. Er bestaat echter een opvallende discrepantie tussen de waarde van de constante gemeten met een breed scala aan onafhankelijke afstandsindicatoren en de waarde voorspeld uit de nagloed van de oerknal. En dus was de hoop gevestigd op de krachtige James Webb-telescoop om dit mysterie te ontrafelen.
Hubbleconstante
Even terug naar het begin. De hubbleconstante is dus een belangrijke parameter in de kosmologie die de snelheid waarmee het universum uitdijt, beschrijft. Maar toch lukt het onderzoekers maar niet om hier de vinger op te leggen. Dat komt omdat het nog steeds niet gelukt is om de exacte waarde van de hubbleconstante te bepalen. En dat terwijl er al meerdere manieren zijn uitgeprobeerd om deze te meten. Een gangbare manier is door Cepheïden (pulserende sterren) en supernova’s waar te nemen. Hieruit blijkt dat het universum met zo’n 74 kilometer per seconde per megaparsec uitdijt. Een andere manier is door metingen te verrichten van kosmische achtergrondstraling uit het vroege universum. En data van de Planck-satelliet over de kosmische achtergrondstraling onthult dat ons universum uitdijt met een snelheid van 67,4 kilometer per seconde per megaparsec. Een verschil van zes of zeven kilometer per seconde dus!
Cepheïden
Dat astronomen naar Cepheïden kijken, is niet voor niets. De helderheid van bepaalde sterren in verre sterrenstelsels vertelt ons namelijk hoe ver weg ze zijn en dus hoe lang dit licht heeft gereisd om ons te bereiken. De roodverschuiving van de sterrenstelsels vertelt ons hoeveel het universum gedurende die tijd is uitgedijd, en onthult dus de expansiesnelheid. Cepheïden geven ons een nauwkeurige meting van de afstand, omdat deze sterren buitengewoon helder zijn: het zijn superreuzen, honderdduizend keer zo helder als onze zon. Bovendien pulseren ze gedurende enkele weken. Hoe langer deze periode, hoe helderder ze zijn. Ze vormen dan ook het gouden instrument voor het meten van de afstanden van sterrenstelsels op honderd miljoen lichtjaar afstand of meer, een cruciale stap om de hubbleconstante te bepalen. Helaas zitten sterren in verre sterrenstelsels vanaf ons gezichtspunt vaak dicht op elkaar gepakt en lukt het nog niet goed om ze te onderscheiden van hun ‘nabije’ buren.
Hubble
Dit was één van de redenen waarom ruimtetelescoop Hubble werd gebouwd. Vóór de lancering van Hubble in 1990 en de daaropvolgende metingen van Cepheïden, was de expansiesnelheid van het universum zo onzeker dat astronomen niet eens zeker wisten of het universum al 10 miljard of 20 miljard jaar aan het uitdijen was. Dankzij Hubble, die vanuit de ruimte opereert en dus geen last heeft van de vertroebelende effecten van de aardse atmosfeer, kregen we daar een veel beter beeld van. Hubble kan afzonderlijke Cepheïden onderscheiden in sterrenstelsels op meer dan honderd miljoen lichtjaar afstand en kan de periode meten waarin deze sterren van helderheid veranderen.
Stof
Toch lieten ook de metingen van Hubble te wensen over. Dat komt omdat Hubble niet goed door het stof dat tussen ons en de Cepheïden in staat, heen kan turen. Stof absorbeert en verstrooit blauw optisch licht, waardoor verre objecten er lichtzwak uitzien. Daardoor lijken ze verder weg te staan dan ze in werkelijkheid zijn. Helaas ziet Hubble in rood licht minder scherp dan in blauw licht, waardoor het licht afkomstig van Cepheïden vermengd wordt met andere sterren in zijn gezichtsveld. Maar deze tekortkoming is met de komst van James Webb verholpen.
James Webb
Ruimtetelescoop James Webb is juist zeer sterk in het waarnemen van infrarood licht. Deze telescoop is specifiek ontworpen om in het infrarode deel van het elektromagnetische spectrum te werken en het heeft verschillende instrumenten aan boord die infrarode straling kunnen detecteren en analyseren. Met zijn grote spiegel en gevoelige optiek kan de telescoop het licht van Cepheïden daarom gemakkelijk scheiden van naburige sterren.
Dezelfde conclusie
De waarnemingen van Webb in infrarood hebben geleid tot metingen van Cepheïden met veel minder ruis dan met Hubble het geval was. “Dit is een verbetering waar astronomen van dromen,” zo schrijven de onderzoekers in een verklaring. In totaal sloegen ze meer dan 320 Cepheïden gade. En dat heeft nu tot een opzienbarende conclusie geleid. “We hebben vastgesteld dat de eerdere metingen van Hubble over het algemeen correct waren,” aldus de onderzoekers. “Bovendien hebben we met behulp van de Webb-telescoop nog eens vier sterrenstelsels geobserveerd, en ook dat heeft vergelijkbare resultaten opgeleverd.”
Nauwkeurig
De resultaten betekenen dat de metingen van Cepheïden – en dus de expansiesnelheid van het heelal – in ieder geval nauwkeurig zijn, aangezien twee onafhankelijke telescopen tot vergelijkbare bevindingen zijn gekomen. Maar dit lost het mysterie over de exacte waarde van de hubbleconstante nog niet op. “Wat de resultaten nog steeds niet verklaren, is waarom het universum lijkt uit te dijen met zo’n hoge snelheid,” zo valt er te lezen in de verklaring. “We kunnen de expansiesnelheid van het universum voorspellen door zijn babyfoto, de kosmische achtergrondstraling, te observeren. Vervolgens gebruiken we ons beste model van hoe het universum in de loop van de tijd is gegroeid om te achterhalen hoe snel het vandaag de dag zou moeten uitdijen. Het feit dat de huidige meting van de expansiesnelheid aanzienlijk hoger ligt dan voorspeld wordt, is een nu al tien jaar durend probleem.” Dit betekent dat er iets mis is met het universum, of dat we iets missen in ons begrip van het heelal.
Het laatste woord over de hubbleconstante is dus nog zeker niet gezegd. Astronomen onderzoeken nu een tal van mogelijkheden die de hardnekkige discrepantie kunnen verklaren. “Het kan wijzen op de aanwezigheid van exotische donkere energie, exotische donkere materie, een herziening op ons begrip van zwaartekracht of de aanwezigheid van een uniek deeltje,” sommen de onderzoekers op. “Een meer alledaagse verklaring is dat er meetfouten aan ten grondslag liggen. Maar de nieuwe metingen met Webb laten nu zien dat er waarschijnlijk geen meetfouten zijn gemaakt bij het waarnemen van Cepheïden. De interessantere mogelijkheden blijven dus vooralsnog op tafel.”
