Een nieuwe kosmische spanning: het universum is misschien te dun

Kosmologen hebben geconcludeerd dat het universum niet zo veel lijkt te klonteren als zou moeten. Kunnen de twee grote puzzels van de kosmologie één oplossing delen?

Enorme objecten kunnen het licht van verre melkwegstelsels vervormen, zoals te zien is in deze illustratie

De kosmos begint er een beetje raar uit te zien. Sinds een paar jaar kampen kosmologen met een discrepantie in de snelheid waarmee het universum zich uitbreidt. Ze weten hoe snel het zou moeten gaan, gebaseerd op oud licht uit het vroege universum, maar blijkbaar heeft het moderne universum te veel snelheid opgepikt – een aanwijzing dat wetenschappers misschien een van de fundamentele ingrediënten van het universum over het hoofd hebben gezien, of een aspect van hoe die ingrediënten roeren.

Mogelijk vormt zich nu een tweede scheur in het zogenaamde standaardmodel van de kosmologie. Eind juli maakten wetenschappers bekend dat het moderne universum er ook onverwacht mager uitziet. Melkwegstelsels en gas en andere materie zijn niet zo veel samengeklonterd als zou moeten. Enkele eerdere onderzoeken boden vergelijkbare hints, maar deze nieuwe analyse van zeven jaar aan gegevens vertegenwoordigt de duidelijkste op zichzelf staande indicatie van de anomalie tot nu toe.

“Als we conferenties zouden houden”, zegt Michael Hudson, een kosmoloog aan de Universiteit van Waterloo in Canada die niet bij het onderzoek betrokken is, “zou al het koffiegebat over deze resultaten gaan.”

Zoals de meeste metingen van de grootschalige structuur van het huidige universum, is de studie beladen met technische problemen. Het is ook mogelijk, hoewel onwaarschijnlijk, dat de resultaten te wijten zijn aan toeval. Desalniettemin vragen sommige onderzoekers zich af of de trend naar steeds funky metingen de ontdekking van een nieuw kosmisch middel zou kunnen voorafschaduwen.

“We hebben al donkere materie en donkere energie,” zei Hudson. “Ik hoop dat we niet nog een duister ding nodig hebben.”

Nog een set alarmbellen

Het moeilijke aan het bestuderen van het moderne universum is dat het grotendeels onzichtbaar is. Astronomen vangen een glimp op van het grote geheel op de plaatsen waar sterrenstelsels samenkomen in glanzende clusters. Maar ze blijven grotendeels niet in staat de vage gasstrengen waar te nemen die deze knooppunten samenweven tot een enorm kosmisch web. Erger nog, de meesten geloven dat deze melkwegstelsels en gassporen niet meer zijn dan decoratief klatergoud op een stevig frame van onzichtbare ‘donkere materie’ dat het grootste deel van het universum vormt.

Het nieuwe onderzoek is de meest verfijnde implementatie tot nu toe van een techniek om het onzichtbare te onthullen. Terwijl licht van een ver sterrenstelsel zijn weg naar de aarde baant, passeert het donkere materie en donkere gaswolken. Deze dikke plekken trekken zwaartekracht aan het licht, waardoor er knikken in het pad komen. Tegen de tijd dat het licht van het verre melkwegstelsel een aardse telescoop bereikt, is het subtiel vervormd – misschien in een overdreven ellips geplet. Astronomen proberen vervolgens de onzichtbare donkere materie in kaart te brengen door de statistische vervormingen te meten in de vorm van enorme aantallen verre melkwegstelsels over een enorme strook hemel.

Samuel Velasco / Quanta Magazine;
bron:
news.rub.de

In het nieuwe onderzoek observeerden leden van de Kilo-Degree Survey, of KiDS, ongeveer 31 miljoen sterrenstelsels tot op een afstand van 10 miljard lichtjaar. Vervolgens gebruikten ze deze waarnemingen om de gemiddelde verdelingen van het verborgen gas en de donkere materie van het universum te berekenen. Ze vonden klonten die bijna 10% dunner zijn dan de voorspelling van het gevestigde kosmologische model, bekend als Lambda koude donkere materie, of ΛCDM.

Statistisch gezien is het verschil zodanig dat de kans dat aanvullende gegevens worden weggespoeld ongeveer 1 op 1.400 is – ver onder de strenge norm van het veld van 1 op 1,7 miljoen, maar groot genoeg om de aandacht te trekken. “Deze spanning is nu op het niveau dat op zijn minst intrigerend of verleidelijk is”, zegt Marika Asgari , een kosmoloog aan de Universiteit van Edinburgh en lid van KiDS.

Bovendien ondersteunen andere onafhankelijke metingen de bevinding dat het huidige universum te dun lijkt. “Dit is weer een set alarmbellen,” zei Hudson.

Hudson heeft geprobeerd het verborgen universum te ontcijferen door te kijken hoe sterrenstelsels op kosmische stromen drijven. Als materie perfect verdeeld zou zijn in een fijne mist, zou de expansie van het universum alle objecten soepel uit elkaar duwen in een drijvende beweging die bekend staat als de Hubble-stroom. Maar het universum zit vol lege holtes en superclusters die rijk zijn aan donkere materie. De aantrekkingskracht van superclusters trekt sterrenstelsels dichterbij, terwijl holtes ze vrij laten vliegen. Door de “eigenaardige snelheden” van supernova’s te meten – hoeveel ze afwijken van hun lokale Hubble-stroom – creëren Hudson en zijn medewerkers hun eigen kaarten van de verborgen massa van de kosmos.

Zijn eerste aanwijzing dat het universum niet genoeg samengeklonterd is, kwam in 2015, en daaropvolgende eigenaardige snelheidskaarten vertoonden dezelfde verontrustende gladheid. Hudson en zijn medewerkers publiceerden in juli werk waaruit een abnormaal gebrek aan klontering bleek dat bijna net zo sterk was als wat KiDS ontdekte.

Bovendien hebben in de afgelopen acht jaar minstens een dozijn onderzoeken met verschillende technieken allemaal een hedendaags universum gevonden dat op zijn minst iets te dun is. Elke studie heeft op zich weinig betekenis, maar sommige kosmologen beginnen het vermoeden te krijgen dat alle metingen onder de theoretische voorspelling vallen, in plaats van er gelijkmatig omheen te verspreiden.

“Als je hetzelfde begint te zien in een hele reeks verschillende datasets,” zei Hudson, “denk je dat dit je echt iets vertelt.”

Tegenstrijdige afwijkingen

Als dit een bericht uit het universum is, blijft de betekenis ervan onduidelijk. Het standaardmodel van kosmologie past zo goed bij observaties dat theoretici niet zomaar nieuwe stukken kunnen toevoegen. De meest nauwkeurige metingen van het vroege universum zijn afkomstig van de Planck-samenwerking, die de definitieve resultaten in 2018 publiceerde. “Het is moeilijk om met iets nieuws te komen dat Planck niet kapot maakt”, zegt Daniel Scolnic , een kosmoloog aan de Duke University die studeert uitbreidingssnelheden.

Maar het Planck-keurslijf heeft een paar losse gespen, waar theoretici al jaren mee bezig zijn, op zoek naar een manier om de onverwacht snelle uitbreiding te verklaren.

Ze proberen nu twee tegenstrijdige taken te volbrengen. Om het oorspronkelijke probleem van het uitdijende heelal op te lossen, hebben ze een fenomeen nodig dat het heelal een extra kick naar buiten zou geven . Maar om de nieuwe anomalie op te lossen, moeten ze de zwaartekrachtsinvloed die het universum doet klonteren, verzwakken. Als je de twee problemen bij elkaar legt , zegt Julien Lesgourgues , theoretisch kosmoloog aan de RWTH Aachen University in Duitsland en lid van de Planck-samenwerking, “wordt het een nachtmerrie om een ​​verklaring voor beide te vinden.”

Om de expansie een vliegende start te geven, hebben sommige theoretici bijvoorbeeld geprobeerd “donkere straling” aan het vroege heelal toe te voegen. Maar ze moeten deze extra straling in evenwicht brengen met extra materie, die het universum verdikt zou hebben gemaakt. Dus om te eindigen met het universum dat we zien, moeten ze aanvullende interacties bedenken tussen de verschillende donkere ingrediënten om de gewenste dunheid te krijgen.

Een andere mogelijkheid is dat donkere materie, die het universum samenklontert, verandert in donkere energie, die het uit elkaar drijft. Of misschien zit de aarde in een enorme leegte, waardoor onze waarnemingen scheef staan. Of de twee anomalieën kunnen geen verband houden. “Ik heb niets overtuigends gezien”, zei Hudson, “maar als ik een theoreticus was, zou ik nu heel opgewonden zijn.”

Een of beide spanningen kunnen nog steeds wegsmelten met meer gegevens. KiDS is een van de drie onderzoeken naar zwakke gravitatielenzen die momenteel worden uitgevoerd, samen met de internationale Dark Energy Survey in Chili en de Japanse Hyper Suprime-Cam bij de Subaru-telescoop op Hawaï. Elk scant verschillende delen van de lucht, tot verschillende diepten. De resultaten van de laatste campagne van de Dark Energy Survey, die een hemelgebied besloeg dat vijf keer groter was dan dat van KiDS, zullen in de komende maanden worden vrijgegeven. ‘Daar wacht iedereen op,’ zei Scolnic. “Dat is het volgende grote ding in de kosmologie.”

Michael Troxel van Duke University, die zwakke gravitatielenzen doet voor de Dark Energy Survey, prees het KiDS-team omdat het de techniek naar nieuwe hoogten van precisie bracht en een ongekende hoeveelheid lucht bedekt. Maar hij benadrukte ook dat een berg aan technische uitdagingen het moeilijk maakt om te diep in één meting te lezen. Op een afstand van miljarden lichtjaren verschijnen sterrenstelsels als slechts pixels, wat de analyse van hun vormen bemoeilijkt. Onderzoekers moeten ook weten hoe ver elk sterrenstelsel verwijderd is, en hun behandeling van de onzekerheden die met deze afstanden gepaard gaan, kan de spanning verzachten of overdrijven.

“Ik zou nog geen geld plaatsen waar de uiteindelijke waarde zal liggen,” zei Troxel.


Gepubliceerd op: Quanta Magazine

Een artikel van;

Charlie Wood


Geef een reactie