De uitdijingssnelheid van het heelal, de zogeheten hubbleconstante, is al jaren een van de meest bediscussieerde getallen in de kosmologie. Nu lijken we hem eindelijk vastgepind te hebben.
Een kosmisch mysterie is misschien eindelijk opgelost. De hubbleconstante is het getal dat aangeeft hoe snel het heelal op dit moment uitdijt. Sterrenkundigen worstelen al jaren met de vraag wat de waarde van deze constante is. Verschillende metingen leveren namelijk verschillende getallen op. Nu lijken de twee belangrijkste methoden om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten bij elkaar te komen.
Uitdijingssnelheid
De eerste manier om de hubbleconstante te meten, is gebaseerd op minuscule lokale variaties in de kosmische achtergrondstraling, de ‘restwarmte’ van de oerknal. Deze variaties kunnen, samen met ons beste model van de kosmos, worden gebruikt om de huidige uitdijingssnelheid van het heelal te berekenen. Deze methode geeft een hubbleconstante van 67 kilometer per seconde per megaparsec: de uitdijingssnelheid neemt daarbij met 67 kilometer per seconde toe, voor elke megaparsec afstand tot de aarde (1 megaparsec is ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar).
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 ...
De andere methode wordt de lokale afstandsladder genoemd. Hierbij worden objecten op verschillende afstanden van de aarde – op verschillende ‘sporten’ van de ladder – gebruikt om de uitdijing te meten van het gebied in de ruimte dat relatief dicht bij ons is. De twee belangrijkste sporten op de ladder zijn de Cepheïden, een bepaald type ster, en type Ia-supernova’s, een soort sterexplosies. Van deze twee objecten weten we heel precies hoe helder ze schijnen. Deze helderheid kunnen we vergelijken met hun zogeheten schijnbare helderheid – hoe helder wij ze op aarde zien – om te bepalen hoe ver weg ze van ons staan. De lokale afstandsladder geeft een hubbleconstante van ongeveer 73 kilometer per seconde per megaparsec.
Het verschil tussen de twee metingen wordt de hubblespanning genoemd. ‘Mijn grote zorg was dat, wanneer je maar één methode gebruikt, je geen manier hebt om vast te stellen wat de systematische onzekerheden in die methode zijn’, zegt astronoom Wendy Freedman van de Universiteit van Chicago.
Meer laddersporten
Freedman en haar collega’s hebben ruimtelescoop James Webb (JWST) gebruikt om nog twee methoden aan de lokale afstandsladder toe te voegen. Ze hebben nog twee andere soorten sterren geobserveerd: koolstofsterren en zogeheten top-van-de-rode-reuzentak-sterren. Ook deze twee hebben een goed voorspelbare helderheid, afhankelijk van hun massa.
De onderzoekers gebruikten James Webb ook om nog meer Cepheïden te bekijken. Ook analyseerden ze alle archiefgegevens van de Hubble-ruimtetelescoop die eerder zijn gebruikt voor metingen van de lokale afstandsladder.
Met behulp van deze nauwkeurigere afstandsladder berekenden ze een hubbleconstante van ongeveer 69 kilometer per seconde per megaparsec. Dat komt overeen met de achtergrondstralingmetingen. ‘Het verschil tussen een Hubble-constante van 73 en 69 is klein, maar het is echt belangrijk om dit soort dingen goed te doen’, zegt Freedman.
Freedman presenteerde dit onderzoek op 6 april tijdens een bijeenkomst van de American Physical Society in Californië. ‘Deze veel nauwkeurigere gegevens roepen niet dat we nieuwe fysica nodig hebben [om de hubblespanning op te lossen]’, zegt Freedman. ‘We komen nu eindelijk dichter bij elkaar. Het is echt opwindend.’
Hubblespanning
Maar niet alle kosmologen zijn het erover eens dat de oplossing gevonden is. ‘Als de hubblespanning verdwijnt, is dat heel belangrijk. Het zou betekenen dat onze van-begin-tot-eind-test van de kosmologie eindelijk slaagt’, zegt kosmoloog Daniel Scolnic van de Amerikaanse Duke-universiteit. ‘Maar… het voelt niet alsof dit de situatie is waarin we ons nu bevinden.’ Scolnic wijst erop dat het aantal sterrenstelsels dat met James Webb is waargenomen relatief klein is. Bovendien komen andere groepen op een hogere hubbleconstante uit op basis van de James Webb-gegevens.
Astronoom Adam Riess van de Johns Hopkins-universiteit in de VS, het hoofd van een van die groepen, is ook sceptisch. ‘Ik geloof niet dat de hubblespanning is veranderd, maar ik weet wel dat er een verschil is in de manier waarop we supernova’s analyseren. Dat is een verschil dat het verschil in de hubbleconstante veroorzaakt’, zegt hij. ‘Ik denk niet dat het eerlijk of nauwkeurig is om de grootte van de spanning te bepalen aan de hand van de laagste, of hoogste, meting.’
De getallen komen erg dicht bij elkaar te liggen, erkent astronoom Rocky Kolb van de Universiteit van Chicago. ‘Ik vermoed dat één groep hun fouten onderschat… Ik heb niet het gevoel dat er een haalbare verklaring is om de spanning op te lossen, als die er al is.’
Niets sterft gemakkelijk
Feit blijft dat het moeilijk is om de huidige kosmologische modellen te rijmen met de hogere hubbleconstante die gevonden is bij eerdere metingen van de lokale afstandsladder, zegt astronoom Lloyd Knox van de Universiteit van Californië in Davis. ‘[Deze nieuwe resultaten] leken mij een grote stap in de richting van een oplossing’, zegt hij.
Freedman en haar collega’s zijn nog niet klaar met het berekenen van de onzekerheden van hun meting. Op dit moment komt hun hubbleconstante binnen de marges overeen met de hubbleconstante zoals die volgt uit de achtergrondstraling, maar hij valt ook binnen de marges van de eerdere metingen met de afstandsladder. Er zijn meer verschillende methoden nodig om de hubblespanning echt vast te stellen, zegt Freedman. ‘Is dit het einde van de spanning? Niets sterft zo gemakkelijk. Maar deze gegevens wijzen wel die kant op.’