Met behulp van ruimtetelescoop James Webb kunnen onderzoekers opnieuw bevestigen dat de Hubble-telescoop de snelheid waarmee het universum uitdijt, juist heeft ingeschat. En dat is een probleem.
Want al langer is bekend dat de metingen van Hubble niet overeenkomen met metingen van andere observatoria. En ergens werd er dan ook verwacht – of misschien wel gehoopt – dat er foutjes in de Hubble-metingen zaten en de waargenomen en onverklaarbare discrepantie tussen de waarnemingen van Hubble en die van andere observatoria dus niet bestond. Maar Webb bevestigt nu dat de metingen van Hubble kloppen. En dat hint er toch sterk op dat het universum anders in elkaar steekt dan gedacht.
Hoe het allemaal begon
Toen ruimtetelescoop Hubble in 1992 werd gelanceerd, hadden wetenschappers er tal van grote plannen mee. Eén daarvan was om voor eens en altijd duidelijk te krijgen met welke snelheid het heelal uitdijde. Pogingen om dat met behulp van op de aarde gevestigde telescopen vast te stellen, waren namelijk enigszins uitgelopen op een teleurstelling: de metingen werden geplaagd door grote onzekerheden en leverden dus stuk voor stuk ook uiteenlopende schattingen op. Zo hintte de ene telescoop op een snelle uitdijing en dus een relatief lage leeftijd van het universum (zo rond de 10 miljard jaar) – want als het heelal snel uitdijt, mag je verwachten dat het universum nog relatief jong is, omdat sterrenstelsels dan ook minder tijd nodig hebben gehad om op de huidige, grote afstand van elkaar te geraken. Ondertussen hintten andere telescopen juist weer op een trage uitdijing van het heelal en een veel hogere leeftijd voor het universum (zo rond de 20 miljard jaar).
Hubble
Maar het scherpe oog van Hubble kon die onzekerheden wegnemen en onthullen hoe snel het heelal nu werkelijk uitdijde, zo hoopten wetenschappers. En jawel, in de afgelopen 34 jaar heeft Hubble ons een veel nauwkeuriger beeld gegeven van de snelheid waarmee het heelal uitdijt en daarmee ook van de leeftijd van het universum. Zo wijzen de observaties van Hubble erop dat het universum uitdijt met een snelheid van zo’n 73 kilometer per seconde per megaparsec. En dat het universum dus zo’n 13,8 miljard jaar oud is.
Planck
Eind goed, al goed, zou je denken. Maar dat is buiten een ander observatorium gerekend: ESA’s Planck-satelliet. Met behulp van deze satelliet maten onderzoekers de kosmische achtergrondstraling (zie kader).
En volgens de metingen van Planck dijt het universum met een snelheid van zo’n 67 kilometer per seconde per megaparsec uit. Een behoorlijk verschil met de Hubble-metingen. En hoe vaak de onderzoekers hun berekeningen ook overdeden; dat verschil hield stand. En drijft kosmologen tot wanhoop; ze kunnen namelijk maar niet verklaren waarom de metingen van Hubble zo afwijken van die van Planck.
Foutje?
Tenminste: officieel konden wetenschappers dat niet verklaren. Onofficieel hadden ze er natuurlijk wel ideeën over. Het meest voor de hand liggende idee was daarbij dat de metingen van Hubble niet helemaal klopten. Vooral naarmate Hubble dieper in het heelal – en dus verder terug in de tijd – keek, zouden de metingen een stuk onbetrouwbaarder worden, zo vermoedden sommige onderzoekers. Dat heeft alles te maken met het feit dat Hubble voor het berekenen van de snelheid waarmee het universum uitdijt, naar individuele sterren kijkt: veelal cepheïden (zie kader).
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. En daarmee lijkt de telescoop geknipt voor onderzoek naar de uitdijing van het nabije heelal. Maar toen onderzoekers de discrepantie tussen de resultaten van Hubble en Planck – die dus juist de uitdijing van het heelal kort na de oerknal onderzoekt – opmerkten, gingen ze daaraan twijfelen. Misschien klopten de metingen van Hubble toch niet, zo suggereerden ze. Misschien werd de telescoop toch meer dan gedacht gehinderd door stof dat tussen ons en verre cepheïden in staat, waardoor de pulserende sterren in de ogen van Hubble lichtzwakker ogen dan ze in werkelijkheid zijn en Hubble de afstand verkeerd inschat. Of misschien wordt de telescoop wel in verwarring gebracht doordat het licht van cepheïden die op grote afstand van ons staan zich vermengt met licht van andere sterren in Hubbles gezichtsveld?
James Webb
Om dat uit te zoeken, hebben wetenschappers nu ruimtetelescoop James Webb ingezet. Deze infraroodtelescoop wordt niet gehinderd door stof en kan met zijn grote spiegel en gevoelige optiek het licht van cepheïden gemakkelijk scheiden van dat van naburige sterren. Voor het onderzoek lieten wetenschappers de telescoop onder meer kijken naar verschillende sterrenstelsels die samen zo’n 1000 cepheïden herbergden, waaronder ook het verste sterrenstelsel waarin metingen aan een cepheïde zijn gedaan. En elke keer konden de onderzoekers dezelfde conclusie trekken: de observaties van Webb onderschrijven de uitdijingssnelheid die eerder op basis van de Hubble-observaties is vastgesteld.
Het nieuwe onderzoek – gepubliceerd in het blad The Astrophysical Journal Letters – volgt op een vergelijkbaar onderzoek dat vorig jaar verscheen. In dat eerdere onderzoek boog Webb zich al over relatief nabije cepheïden waar Hubble eerder metingen aan had verricht. Toen bleek al dat die metingen van Hubble klopten. Maar het vermoeden dat er toch foutjes in de Hubble-metingen konden zijn geslopen naarmate deze naar verder van ons verwijderde cepheïden was gaan kijken, bleef bestaan. Met dit nieuwe onderzoek – waarin James Webb ook die verder van ons verwijderde cepheïden nog eens heeft nagemeten – lijkt ook dat vermoeden van tafel te zijn. En dus blijft de hubble-spanning hangen. “Nu meetfouten zijn uitgesloten, blijft alleen de opwindende mogelijkheid dat we het universum verkeerd begrepen hebben, over,” aldus onderzoeker Adam Riess.
Voor nu hebben we dus de metingen van Hubble, uitgevoerd in het nabije universum, aan de ene kant. En de metingen van Planck, die meer inzicht geven in de uitdijing kort na de oerknal, aan de andere kant. En beiden lijken te kloppen, maar komen niet overeen. Het suggereert dat de uitdijingssnelheid ergens in de miljarden jaren die tussen het ontstaan van de kosmische achtergrondstraling en het ontstaan van de cepheïden waar Hubble – en ook Webb nu – naar gekeken heeft, veranderd is. Maar hoe kan dat? “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,” zo speculeerden onderzoekers in 2023 al. Maar voor nu blijft het gissen. Maar wellicht kunnen andere observatoria – zoals NASA’s in aanbouw zijnde Nancy Grace Roman Space Telescope of de recent gelanceerde Euclid-missie van ESA – in de toekomst meer duidelijkheid scheppen. “We moeten zien uit te vogelen of we iets over het hoofd zien,” vindt Riess.
