De hubbleconstante is niet constant. Dat stellen astronomen op basis van onderzoek naar meer dan duizend sterexplosies. Beëindigt dit de langlopende discussie over de uitdijingssnelheid van het heelal?
De hubbleconstante is een getal dat aangeeft hoe snel het heelal op dit moment uitdijt (zie het kader onderaan voor verdere uitleg). Astrofysici hebben al decennia moeite om de precieze waarde ervan vast te stellen. Verschillende metingen leveren verschillende getallen op. Hierdoor is er flinke discussie over de snelheid waarmee het heelal uitdijt. Die staat bekend als de hubblecontroverse.
Nu denkt een internationaal team van astronomen misschien wel de verklaring te hebben voor de verschillende resultaten: de hubbleconstante is helemaal niet constant, schrijven ze in The Astrophysical Journal.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Supernova’s
De astronomen bestudeerden gegevens van meer dan duizend supernova’s. Dat zijn de krachtige ontploffingen waarmee zware sterren aan hun eind komen. De helderheid van een supernova geeft aan hoe ver weg die zich ongeveer bevindt.
Bovendien verraadt de kleur van het licht van zo’n explosie hoe hard de ster bij ons vandaan beweegt. Uit die combinatie van afstand en verwijderingssnelheid kun je de hubbleconstante uitrekenen.
Doordat je supernova’s tot op grote afstand kunt zien, kun je ze gebruiken om de hubbleconstante op verschillende afstanden in het heelal te berekenen. Tot nu toe gingen de meeste astrofysici ervan uit dat die waarde dan telkens hetzelfde is.
Donkere energie
De huidige onderzoekers gooiden het over een andere boeg. Ze keken of de supernovametingen beter met elkaar in overeenstemming zijn als je aanneemt dat de hubbleconstante niet op elke afstand gelijk is. De verschillende metingen waren volgens hen het beste te verklaren als de constante langzaam afneemt naarmate je verder het heelal in beweegt.
In dat geval zou het heelal in verre gebieden iets minder hard uitdijen dan de huidige theorie voorschrijft. Dat zou met name de lage waarde van de hubbleconstante verklaren die volgt uit metingen van de kosmische achtergrondstraling. Deze straling is namelijk afkomstig uit de verste heelalregionen die we kunnen waarnemen. Metingen van deze straling met de Plancksatelliet zijn de voornaamste veroorzaker van de hubblecontroverse.
Een niet-constante hubbleconstante zou wijzen op een onbekend natuurkundig fenomeen dat zich op grote schaal in het heelal voordoet. Misschien gedraagt de donkere energie – de mysterieuze kracht die de versnelde uitdijing van het heelal veroorzaakt – zich in het verre heelal wel anders dan hier. Ook een mogelijkheid is dat de zwaartekracht op grote schaal anders werkt dan op kleine schaal.
Publicatiebias
Maar dit is allemaal nog wat voorbarig. De onderzoekers wijzen erop dat de supernova’s die ze hebben bekeken mogelijk een vertekend beeld geven. De gemeten supernova’s op grote afstand kunnen bijvoorbeeld in lichtsterkte gemiddeld net wat afwijken van die op kleine afstand. Daarom zijn de onderzoekers nu bezig om nog meer supernova’s te bestuderen, met name op grote afstand.
Ook Henk Hoekstra, hoogleraar observationele kosmologie aan de Universiteit Leiden, is nog lang niet overtuigd van de conclusie. Volgens hem wijken de gemeten waardes te weinig af van de waardes die je krijgt als de hubbleconstante wel gewoon constant is.
‘Het is maar net door welke bril je de metingen bekijkt’, zegt hij. ‘Zij zeggen: we zien een afwijking en die wijst mogelijk op een variabele hubbleconstante. Ik zou zeggen: de afwijking is niet significant, en dus zijn de metingen consistent met de theorie.’
Hoekstra wijst daarbij ook op het gevaar van publicatiebias. Als je een afwijking van de theorie tegenkomt, ben je eerder geneigd daarover een publicatie te schrijven dan wanneer je geen afwijking vindt.
Wel of geen nieuwe fysica?
Meer metingen zijn dus nodig, en bovendien ook meer verschillende soorten metingen. ‘De foutmarge wordt dan kleiner, en je kunt de data makkelijker in verschillende groepen opsplitsen om te zien of het effect overal optreedt’, zegt Hoekstra.
Hoekstra kijkt onder meer reikhalzend uit naar nieuwe metingen aan baryonic acoustic oscillations. Dat zijn schommelingen in de dichtheid van zichtbare materie in het heelal, die al vlak na de oerknal zijn ontstaan. Deze schommelingen bieden een nieuwe manier om de afstand tot verre objecten te bepalen. Ze zullen onder andere gemeten worden door ruimtetelescoop Euclid, die in 2022 wordt gelanceerd.
Voorlopig blijft de hubbleconstante dus constant, en daarmee blijft de hubblecontroverse een controverse. Want wat veroorzaakt dan wel die verschillen in metingen van de uitdijingssnelheid in het heelal? ‘Het is oncomfortabel voor astronomen. Is er nou wel of geen sprake van nieuwe fysica?’ zegt Hoekstra. Hij verwacht dat nieuwe metingen hier binnen enkele jaren uitsluitsel over zullen geven.
Universele omrekenfactor
In 1929 ontdekte de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble een verband tussen de afstand tot verre sterrenstelsels en de snelheid waarmee ze bij ons vandaan bewegen. Dit verband was zonder dat hij het wist twee jaar eerder al voorspeld door de Belg Georges Lemaître. Het staat daarom bekend als de wet van Hubble-Lemaître.
Het is een simpele, lineaire wet. Een object dat zich twee keer zo ver weg bevindt als een ander object, beweegt ook dubbel zo hard bij ons vandaan. Wanneer je bijvoorbeeld wilt weten hoe hard een ster door de uitdijing van het heelal bij ons vandaan beweegt, hoef je alleen te weten hoe ver weg die ster is. Vervolgens vermenigvuldig je die afstand met een vaste omrekenfactor: v = H0 ∙ d.
Die universele omrekenfactor tussen afstand (d) en snelheid (v) is de hubbleconstante (H0). De naam daarvan is wat verraderlijk, want de hubbleconstante is sowieso niet constant in de tijd. Het heelal dijt namelijk steeds sneller uit.
Met de hubbleconstante wordt daarom de omrekenfactor bedoeld zoals die op dit moment geldt. En dan doen we even alsof we het heelal zien zoals het nu is. Eigenlijk zie je verafgelegen sterrenstelsels zoals ze er lang geleden uitzagen, doordat het licht daarvan veel tijd nodig had om hier te komen. Kosmologen kunnen dus niet ver de ruimte in kijken zonder ook terug in de tijd te kijken. Maar met een model rekenen ze de metingen zodanig om, dat ze toch de huidige hubbleconstante bepalen.
De hubbleconstante is dan in theorie wél constant in de ruimte: of je nu nabije of verafgelegen sterrenstelsels bestudeert, de waarde blijft hetzelfde. Maar wat is die waarde? Verschillende metingen leveren verschillende getallen op, variërend van 67 tot 76 (km/s)/Mpc (kilometer per seconde, per megaparsec. Hierbij is megaparsec een sterrenkundige eenheid van afstand).
