Waarom breidt het heelal zich zo snel verder uit, over – donkere materie – … en meer.

Contributing editor van Quanta Magazine: Thomas Lewton


Voor het volledige artikel :

— Lees op Quanta Magazine

(Hieronder een deel van het artikel in het Nederlands, vertaald via Google-Translate)


Natuurkundigen hebben extra kosmische ingrediënten voorgesteld die de sneller dan verwachte uitbreiding van de ruimte zouden kunnen verklaren.

De discrepantie tussen hoe snel het universum lijkt uit te breiden en hoe snel we verwachten dat het uitdijt, is een van de hardnekkigste hardnekkige afwijkingen van de kosmologie.

Kosmologen baseren hun verwachting van de uitzettingssnelheid – een snelheid die bekend staat als de Hubble-constante – op metingen van straling die kort na de oerknal wordt uitgezonden. Deze straling onthult de precieze ingrediënten van het vroege heelal. Kosmologen voegen de ingrediënten toe aan hun model van kosmische evolutie en voeren het model uit om te zien hoe snel de ruimte vandaag zou moeten uitbreiden.

Maar de voorspelling schiet tekort: wanneer kosmologen astronomische objecten zoals pulserende sterren en exploderende supernova’s observeren, zien ze een universum dat sneller uitbreidt, met een grotere Hubble-constante.

De discrepantie, bekend als de Hubble-spanning, bleef bestaan, ook al zijn alle metingen nauwkeuriger geworden. Sommige astrofysici gaan door met discussiëren of de spanning misschien niet meer is dan een meetfout. Maar als de discrepantie echt is, betekent dit dat er iets ontbreekt in het model van het universum van kosmologen.

Onlangs waren theoretici druk bezig met het bedenken van nieuwe kosmische ingrediënten die, wanneer ze aan het standaardmodel werden toegevoegd, het verwachte uitdijingspercentage van het universum zouden doen stijgen, waardoor het zou overeenkomen met waarnemingen.

“Het ontdekken van afwijkingen is de fundamentele manier waarop de wetenschap vooruitgang boekt”, zegt Avi Loeb, een kosmoloog aan de Harvard University en een van de tientallen onderzoekers die oplossingen hebben voorgesteld voor de Hubble-spanning.

Dit zijn enkele van de beste ideeën voor het versnellen van de kosmische expansie.

Decaying donkere materie

Het standaardmodel van de kosmologie omvat alle bekende vormen van materie en straling en hun interacties. Het bevat ook de onzichtbare stoffen die bekend staan als donkere energie en donkere materie, die samen zo’n 96% van de kosmos uitmaken. Omdat er zo weinig bekend is over deze donkere ingrediënten, zijn ze misschien de voor de hand liggende plaats om met het standaardmodel te gaan knoeien. ‘Dat is wat je tot je beschikking hebt om de uitbreidingssnelheid van het universum te veranderen’, zei Loeb.

Het standaardmodel gaat ervan uit dat donkere materie bestaat uit langzaam bewegende deeltjes die geen interactie hebben met licht. Maar wat als we ook aannemen dat donkere materie niet uit slechts één stof bestaat? Omdat er veel verschillende soorten zichtbare deeltjes bestaan – quarks, elektronen enzovoort – kunnen er ook meerdere donkere deeltjes zijn.

In een paper dat afgelopen zomer in Physical Review D werd gepubliceerd, beschouwden Loeb en twee medewerkers een vorm van donkere materie die vervalt tot een lichter deeltje en een massaloos deeltje dat bekend staat als een donker foton. Naarmate meer en meer donkere materie in de loop van de tijd verviel, redeneerden ze, zou de aantrekkingskracht ervan zijn afgenomen en zou de uitdijing van het universum dus sneller zijn gegaan, waardoor de Hubble-spanning zou zijn verlicht.

Maar kleine veranderingen als deze aanbrengen in het standaard kosmologische model kan ongewenste gevolgen hebben. “Het is heel gemakkelijk om allerlei kleine aanpassingen te verzinnen”, zegt Marc Kamionkowski, een theoretisch natuurkundige aan de Johns Hopkins University – maar het is moeilijk om dat te doen, zei hij, zonder de perfecte pasvorm van het model te verpesten met een schat aan andere astronomische waarnemingen .

Door de vervalsnelheid en de hoeveelheid donkere materie die bij elk verval verloren gaat te variëren, kozen Loeb en collega’s voor een model van vervallen donkere materie waarvan ze zeggen dat het nog steeds overeenkomt met andere astronomische waarnemingen. ‘Als je dit ingrediënt aan het standaardmodel van de kosmologie toevoegt, houdt alles bij elkaar’, zei Loeb.

Toch blijft hij ontevreden over het vervallen idee van donkere materie, deels omdat het twee nieuwe onzekere grootheden in de vergelijkingen introduceert.

Inconstant Dark Energy

Sinds de verrassende ontdekking in 1998 dat de uitdijing van het universum versnelt, hebben kosmologen een afstotende donkere energie in hun model van kosmische evolutie opgenomen. Maar de aard ervan blijft een mysterie. De eenvoudigste mogelijkheid is dat donkere energie de ‘kosmologische constante’ is – de energie van de ruimte zelf, met overal een constante dichtheid. Maar wat als de hoeveelheid donkere energie in het universum niet constant is?

Een extra dosis donkere energie in het vroege heelal, de zogenaamde vroege donkere energie, zou de tegenstrijdige waarden van de Hubble-constante kunnen verzoenen. De uiterlijke druk van deze vroege donkere energie zou de expansie van het universum hebben versneld. “Het lastige is dat [vroege donkere energie] niet echt kan blijven hangen; het moet snel verdwijnen ‘, zegt Lisa Randall, deeltjesfysicus en kosmoloog aan Harvard.

Lisa Randall

Randall en haar medewerkers bedachten wat zij ‘rock-‘n-roll’-oplossingen voor de spanning van Hubble noemen in een paper dat is ingediend bij de Journal of High Energy Physics. Elk van deze toevoegingen aan het standaardmodel neemt een andere wiskundige vorm aan – in sommige gevallen oscilleert de dichtheid van donkere energie of schommelt, terwijl in andere het naar beneden rolt van een hoge waarde naar nul. Maar in alle gevallen moet de vroege donkere energie na een paar honderdduizend jaar verdwijnen, tijdens een periode die bekend staat als recombinatie. “De geschiedenis van het universum sinds de recombinatie is redelijk consistent met het standaardmodel”, zegt Kamionkowski, die co-auteur was van een paper over vroege donkere energie die in juni in Physical Review Letters werd gepubliceerd. “Dus elk apenbedrijf dat we in het vroege universum doen, moet vervallen.”


Lees verder op Quanta Magazine

Geef een reactie