Recente metingen wijzen erop dat de uitdijing van het heelal anders verloopt dan gedacht. Een mogelijke verklaring is dat donkere materie en donkere energie op elkaar inwerken. Een andere optie is het bestaan van ‘donkere straling’.
Astrofysici hebben twee nieuwe theorieën bedacht die het onverwachte gedrag van het heelal kunnen verklaren. De eerste is dat donkere materie en donkere energie elkaar beïnvloeden. De tweede is dat er een onzichtbaar type straling bestaat.
In april presenteerden onderzoekers van het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) in Arizona de grootste 3D-kaart van het heelal die ooit is gemaakt. Daaruit bleek dat we mogelijk een verkeerd beeld hebben van donkere energie, de mysterieuze kracht die de versnelde uitdijing van het heelal veroorzaakt. De gegevens bevatten namelijk aanwijzingen dat donkere energie in de loop van de tijd steeds zwakker wordt. Dit druist in tegen het standaardmodel van de kosmologie.
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Kosmologen denken dat bijna 70 procent van het heelal uit donkere energie bestaat. Als de sterkte daarvan inderdaad geleidelijk verandert, heeft dat enorme gevolgen voor ons begrip van het heelal.
Energieoverdracht
Sinds de bekendmaking van de DESI-gegevens proberen onderzoekers wereldwijd de ogenschijnlijke verandering van donkere energie te verklaren. Een van hen is kosmoloog Miguel Sabogal García van de Federale Universiteit van Rio Grande do Sul in Brazilië. Hij heeft met zijn collega’s het idee geopperd dat donkere energie en donkere materie elkaar beïnvloeden. Donkere materie is de onbekende, onzichtbare vorm van materie die vermoedelijk veel meer voorkomt dan gewone materie.
De onderzoekers opperen dat energie van donkere materie naar donkere energie kan stromen. Daarbij wordt donkere materie in feite omgezet in donkere energie. Volgens simulaties zou dit de DESI-metingen kunnen verklaren.
Het is echter nog niet duidelijk hoe een dergelijke energieoverdracht tot stand komt. Volgens het standaardmodel van de kosmologie kunnen de twee donkere entiteiten namelijk geen onderlinge interacties hebben.
Hubblespanning
De nieuwe theorie kan ook helpen bij het oplossen van een langdurig kosmisch geschil dat bekendstaat als de hubblespanning. Deze controverse is ontstaan doordat de twee belangrijkste manieren waarop we de uitdijingssnelheid van het heelal meten verschillende resultaten opleveren. Metingen aan nabije sterrenstelsels (lokale metingen) geven een hogere waarde voor de uitdijingssnelheid dan metingen aan het licht dat is overgebleven van de oerknal, de zogeheten kosmische achtergrondstraling (CMB).
Om de CMB-metingen te interpreteren, heb je echter een theoretisch model van de kosmos nodig waarmee je de waarnemingen van vlak na de oerknal kunt doortrekken naar de huidige tijd. Als donkere materie en donkere energie inderdaad op elkaar inwerken, moeten we dat theoretische model veranderen. Dit zou de CMB-metingen meer in lijn brengen met de lokale metingen.
Extra ingrediënt
Kosmoloog Itamar Allali van de Brown-university in Rhode Island heeft met zijn collega’s een andere manier bedacht om de DESI-gegevens te verklaren en tegelijkertijd de hubblespanning te verminderen. Hun idee draait om het bestaan van zogeheten donkere straling.
Gewone straling bestaat uit massaloze deeltjes die fotonen worden genoemd. Donkere straling zou bestaan uit donkere fotonen. Die zouden onzichtbaar zijn en vrijwel geen interactie hebben met gewone materie.
‘De gegevens sluiten het bestaan van donkere straling niet uit zoals eerdere datasets dat wel leken te doen. We zien zelfs een lichte voorkeur vóór het bestaan ervan’, zegt Allali. ‘Als je meer straling hebt, gaat de uitdijing in het vroege heelal namelijk sneller.’ Dit zou de veranderingen kunnen verklaren die de DESI-onderzoekers toeschrijven aan verzwakking van donkere energie.
Donkere straling is mogelijk zelfs een eenvoudigere oplossing dan veranderend gedrag van donkere energie. ‘Als die veranderingen van donkere energie bevestigd worden, gooit dat de natuurkundige wetten volledig overhoop’, zegt kosmoloog Alessio Notari van de Universiteit van Barcelona, die deel uitmaakte van Allali’s team. ‘Wat wij deden, is veel conservatiever. Het is niet extreem exotisch – we voegden gewoon een extra ingrediënt toe dat vergelijkbaar is met dingen die we al waarnemen.’
Niet het juiste moment
Voorlopig lijken beide nieuwe theorieën goed bij de DESI-gegevens te passen. En er zullen er vrijwel zeker nog veel meer ideeën volgen. ‘De huidige resultaten laten een overvloed aan modellen toe die goed bij de gegevens kunnen passen’, zegt astrofysicus Alkistis Pourtsidou van de Universiteit van Edinburgh. ‘Maar behalve het huidige standaardmodel van de kosmologie is er geen ander donkere-energiemodel dat vanuit het oogpunt van de fundamentele fysica echt standhoudt.’
Het standaardmodel van de kosmologie komt verbazingwekkend goed overeen met de meeste waarnemingen van het heelal. Volgens sommige onderzoekers is het daarom nog geen tijd om het model aan te passen. ‘Uiteindelijk hebben we nog meer gegevens nodig van DESI en andere onderzoeken om een definitief oordeel te vellen over het standaardmodel’, zegt kosmoloog Shahab Joudaki van de Universiteit van Portsmouth in het Verenigd Koninkrijk. Die gegevens moeten de komende jaren beschikbaar komen.
