Kosmologen pareren aanvallen op het geroemde kosmologische principe

Een centrale pijler van de kosmologie – het universum is overal en in alle richtingen hetzelfde – is het overleven van een storm van mogelijk bewijs ertegen.
De meeste waarnemingen suggereren dat de kosmos uniform is op schalen groter dan honderden miljoenen lichtjaren. 
Recente ontdekkingen van onverwacht grote structuren en bewegingen hebben dat in twijfel getrokken.

De laatste poging om de fundamenten van de kosmologie te rammelen, verscheen als een paar stippen die omhoog werden getrokken tot een kosmische grijns. De boog van verre sterrenstelsels, die Alexia Lopez op de bijeenkomst van de American Astronomical Society in juni presenteerde, strekt zich zo ver uit aan de hemel dat het 20 volle manen zou kosten om hem te verbergen. Het glimlachvormige bouwwerk, dat naar schatting 3,3 miljard lichtjaar in de ruimte beslaat, werd lid van een controversiële club: onverwacht grote dingen.

“Het is zo groot dat het moeilijk uit te leggen is met onze huidige overtuigingen”, zei Lopez, een van de astrofysici aan de University of Central Lancashire die de melkwegketen identificeerde, tijdens de presentatie.

Lopez’ “Reuzenboog” leek te botsen met een idee dat de astronomie eeuwenlang heeft geleid: dat het universum geen opvallende kenmerken heeft. Vanuit een uitgezoomd perspectief, waar je ook bent of hoe je ook kijkt, zou je ongeveer hetzelfde aantal sterrenstelsels moeten zien ronddraaien.

Deze veronderstelling, vastgelegd als het ‘kosmologische principe’, heeft onderzoekers in staat gesteld ingrijpende conclusies te trekken over het hele universum, alleen gebaseerd op wat we vanuit onze hoek ervan zien.

“Als dat verkeerd blijkt te zijn, moeten we veel van onze metingen opnieuw doen of veel van onze metingen opnieuw interpreteren”, zegt Ruth Durrer , een kosmoloog aan de Universiteit van Genève.

Als dragende steun van de moderne kosmologie is het kosmologische principe steeds meer een doelwit geworden. Sommige uitdagers, zoals Lopez en haar collega’s, zijn astrofysici die verbaasd zijn over opvallende hemelse conglomeraten. Anderen zijn nonchalante kosmologen die niet in de war zijn door de consensus dat de meeste dingen in de kosmos zich voor onze instrumenten verbergen in de vorm van ‘donkere materie’ en ‘donkere energie’; ze vragen zich af of theoretici misschien fantasieën hebben opgeroepen om een ​​al te simplistische theorie van de kosmologie op te lappen.

Bijna iedereen is het erover eens dat het kosmologische principe de moeite van het onderzoeken waard is. Tot dusverre heeft elke nieuwe claim van een te grote structuur of andere anomalie echter geen deuk gemaakt. We proberen “zoveel mogelijk gaten te prikken”, zei Seshadri Nadathur , een kosmoloog aan het University College London, “terwijl we erg sceptisch staan tegenover iemand anders die zegt dat ze een gat hebben geprikt.”

Van Copernicus tot Einstein

Het kosmologische principe kwam voort uit het Copernicaanse principe, het besef van Nicolaus Copernicus uit 1543 dat de aarde niet het vaste centrum van de schepping is. Zijn inzicht dat de aarde om de zon draait in plaats van andersom, veroorzaakte een reeks vernederende verschuivingen in perspectief. Astronomen hebben in de 19e eeuw bewezen dat de zon slechts een normale ster is. De volgende eeuw zagen ze talloze sterrenstelsels buiten de onze.

“We zijn niet speciaal”, zegt Andrew Howell , een kosmoloog bij Las Cumbres Observatory en de University of California, Santa Barbara. “Het universum blijft ons dat vertellen.”

Samuel Velasco / Quanta Magazine; bron: A. Lopez/UCLan

Niet alleen is de aarde niet speciaal, maar niets is waar dan ook speciaal. In de afgelopen eeuw hebben astronomische onderzoeken op twee manieren bevestigd wat bekend is geworden als het kosmologische principe. Terwijl krachtige telescopen dieper in de duisternis tuurden, zagen ze verder weg gelegen sterrenstelsels in vergelijkbare aantallen verschijnen. Dit suggereert dat de kosmos homogeen is, met materie die er soepel doorheen wordt gestrooid. (Denk aan het uitdijende universum als een stijgende fruitcake met sterrenstelsels die gelijkmatig zijn verspreid als stukjes fruit, die elk wegvliegen van zijn buren terwijl het beslag ertussen uitzet.)

Bovendien hebben telescopen die in verschillende richtingen zijn gericht allemaal vergelijkbare scènes gezien. Materie is gelijkmatig verdeeld langs elke gezichtslijn, wat aangeeft dat het universum “isotroop” is.

De homogeniteit en isotropie van de kosmos maken het eenvoudig genoeg om te analyseren.

Theoretici reconstrueren het verleden van de kosmos en voorspellen de toekomst ervan met behulp van een standaard theoretisch model dat grotendeels is gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie, de zwaartekrachttheorie van Albert Einstein. De theorie van Einstein beschrijft de wisselwerking tussen materie en ruimte-tijd – het buigzame weefsel van het universum. Maar Einsteins behandeling omvat 10 onderling verbonden vergelijkingen en 20 variabelen, een systeem van vergelijkingen dat over het algemeen te ingewikkeld is om op te lossen.

Kosmologen steunen op het kosmologische principe om hun focus te beperken tot een universum dat werkt als een gladde en symmetrische vloeistof. Door hobbels van materie zoals sterrenstelsels te negeren en het universum op dezelfde manier langs alle drie de assen te laten uitdijen, verwijdert het kosmologische principe delen van de vergelijkingen en koppelt het enkele variabelen, waardoor het systeem van vergelijkingen drastisch wordt vereenvoudigd. Theoretici kunnen dan de snelheid en versnelling van de uitdijing van de kosmos voorspellen met slechts twee vergelijkingen – de Friedmann-vergelijkingen, afgeleid van die van Einstein door Alexander Friedmann, een Russische kosmoloog, in 1922. Het lijkt een beetje op het berekenen van het volume van de aarde: je zou je zorgen kunnen maken over elke berg en ravijn, of je zou kunnen aannemen dat de planeet een bol is en het een dag noemen.

Naarmate astronomen het heelal nauwkeuriger in kaart brengen, beginnen een paar onderzoekers zich echter af te vragen of het veld het kosmologische principe te ver heeft doorgedreven. De aarde is tenslotte geen bol – hij puilt uit op de evenaar. Op dezelfde manier kunnen grote structuren of scheve kenmerken conclusies over de leeftijd, het gedrag en de samenstelling van het universum ondermijnen.

Thomas Buchert , een kosmoloog aan de Claude Bernard Universiteit van Lyon 1 in Frankrijk, is een van degenen die ervan overtuigd zijn geraakt dat het tijd is om verder te gaan dan het monotone universum van Friedmann. “Het is vreemd dat het nog leeft, dit standaardmodel,” zei hij.

Sterrenstelsels overal

De reuzenboog en andere reusachtige bouwwerken treffen de eerste pijler van het kosmologische principe: homogeniteit.

Het universum is duidelijk niet homogeen op menselijke schaal. Teleporteer een persoon één lichtjaar van hier en je verpest hun dag. Maar laat de Hubble-ruimtetelescoop halverwege het heelal vallen en hij zal bekende, met sterrenstelsels gevulde beelden teruggeven. Op deze manier behandelt het kosmologische principe de kosmos als de lucht in een opgeblazen ballon. Van dichtbij vermengen moleculen zich op ingewikkelde manieren. Maar van veraf zet een neutraal gas uit, waarbij bulkeigenschappen zoals druk en temperatuur gestaag veranderen.

Onderzoek naar sterrenstelsels heeft uitgewezen dat elk stukje ruimte groter dan honderden miljoenen lichtjaren in doorsnede ongeveer dezelfde hoeveelheid materie bevat. Dus structuren zoals de Giant Arc, die miljarden lichtjaren omspant, zijn net zo onverwacht als een dikke klont lucht in een verder gewone ballon.

Een van de eerste van deze structuren werd in 2013 geïdentificeerd: een vermeende groep van briljante melkwegkernen die bekend staat als quasars, verdeeld over 4 miljard lichtjaar en die, zo schreven de ontdekkers, “de aanname van het kosmologische principe in twijfel trekt”.

Ruth Durrer, een kosmoloog aan de Universiteit van Genève, heeft precieze manieren bedacht om de effecten van kleine afwijkingen van een uniform universum te identificeren.
Met dank aan Ruth Durrer

Weinig anderen waren overtuigd. Nadathur, de kosmoloog van de UCL, ging op zoek of alleen willekeur de illusie van megastructuren kon creëren. Hij simuleerde digitale universums waarin sterrenstelsels volledig lukraak waren verspreid. Niettemin, toen hij een clusterjachtprogramma losliet op de soepele simulaties, koos het puur bij toeval patronen zo groot als de quasargroep. Gesimuleerde standaardmodeluniversums (waarin de zwaartekracht sterrenstelsels in groepen heeft samengetrokken) zouden groepen sterrenstelsels bevatten die nog grootser waren. Nadathur’s werk suggereerde dat het kosmologische principe voldoende ruimte biedt voor de quasar-groep, de Giant Arc en anderen van hun soortgenoten. Enorme structuren zullen zeldzaam zijn, zei hij, maar het standaardmodel “zegt op geen enkele schaal dat de kans nul is.”

Een meer overtuigende observatie van inhomogeniteit zou volgens Nadathur de ontdekking zijn dat materie wat klonterig blijft als je naar grotere en grotere schalen kijkt. Maar studies tot nu toe hebben consequent aangetoond dat naarmate je uitzoomt, het universum steeds vloeiender wordt.

Durrer en andere kosmologen zijn het erover eens dat schijnbaar onmogelijke structuren waarschijnlijk kunnen worden verklaard door alledaagse statistieken. “Als je heel veel waarnemingen doet, zul je er enkele hebben die statistisch niet erg waarschijnlijk zijn”, zei ze. “Daar maak ik me niet zo’n zorgen over.”

Richtingloos universum

Zelfs als het universum homogeen is, kan het nog steeds één richting uitkiezen voor iets speciaals: een ‘anisotropie’. In zo’n kosmos kunnen grote stromen materie als een briesje in die richting stromen. Een paar kosmologen denken dat dit zou kunnen gebeuren.

Sterk bewijs tegen elke vorm van kosmische stroming komt van de nagloed van de oerknal. Astronomen hebben vastgesteld dat deze “kosmische microgolfachtergrond” (CMB) in alle richtingen een in wezen identieke gemiddelde temperatuur van 2,725 graden boven het absolute nulpunt heeft.

Maar om die temperatuur te berekenen, corrigeren onderzoekers voor een lichte onbalans : de CMB lijkt een fractie van een graad warmer in de richting van het sterrenbeeld Waterman, en een fractie van een graad koeler in de tegenovergestelde richting.

Een ovale kaart van de kosmische microgolfachtergrond;  het ovaal is groen in het midden maar wordt aan de ene kant blauw en aan de andere kant rood.
Licht dat de kosmos van de oerknal vult, ziet er iets warmer uit dat van de ene kant van de hemel komt dan de andere, dit COBE-satellietbeeld dat begin jaren negentig werd onthuld. Algemeen wordt aangenomen dat de vervorming het gevolg is van de beweging van ons zonnestelsel, maar een paar kosmologen denken dat het hele universum zou kunnen drijven. NASA

Bijna alle kosmologen interpreteren deze waarneming als het resultaat van de eigen beweging van ons zonnestelsel, die bekend staat als onze ‘eigenaardige snelheid’. De zon draait om het centrum van de Melkweg en de Melkweg beweegt zich naar nabije sterrenstelsels, zodat ons zonnestelsel met ongeveer 300 kilometer per seconde tegen de achtergrond van de CMB afdrijft, waardoor binnenkomende microgolven worden vervormd. Deze lokale drift wordt voor het kosmologische principe niet als een probleem gezien.

Maar onze eigenaardige snelheid verklaart misschien niet volledig de waargenomen scheefheid van de CMB; de vervorming kan ook het effect omvatten van het afdrijven van het hele universum. Als dit het geval is, zal het meten van onze beweging tegen verre sterrenstelsels een ander resultaat geven dan wanneer we onze snelheid meten met de CMB, omdat die sterrenstelsels ook zullen bewegen. Stel je voor dat je een treinrit gaat maken en je snelheid meet tegen een bergketen en tegen wolken aan de horizon. Als de snelheden niet overeenkomen, moeten de wolken over de bergen razen.

Verschillende teams hebben dergelijke metingen gedaan aan verre sterrenstelsels en hebben schijnbare eigenaardigheden gevonden. In een recente poging berekenden onderzoekers onze beweging tegen meer dan 1 miljoen verre quasars. Ze zagen een optische vervorming in lijn met de onbalans in de CMB, maar twee keer zo groot. Eén interpretatie is dat de aarde met ongeveer 600 kilometer per seconde afdrijft ten opzichte van de quasars, wat impliceert dat de quasars tegen de CMB in bewegen.

De kosmoloog Subir Sarkar van de Universiteit van Oxford analyseerde een kaart van meer dan 1 miljoen verre quasars en vond aanwijzingen voor een kosmische onbalans op grote schaal.Met dank aan Subir Sarkar

Subir Sarkar , een kosmoloog aan de Universiteit van Oxford en een lid van de groep die de berekening maakte, noemde de discrepantie een “lichaamsklap” van het standaardmodel en de aanname van een isotroop universum. Hij wees op speculatie dat een gigantische wolk van materie zich buiten het waarneembare heelal bevindt en alles ernaartoe sleept. (We kunnen alleen het bolvormige volume van het universum waarnemen waarvan het licht sinds de oerknal de tijd heeft gehad om ons te bereiken.) “We weten niet wat er buiten is, en er is veel buiten”, zei Sarkar. “Misschien ligt daar een monster op de loer.” Dat zou de leidende theorie van de eerste momenten van de kosmos op zijn kop zetten, die de ruimte exponentieel opgeblazen houdt en glad en vlak wordt tot ver buiten ons waarneembare gebied.

De meeste kosmologen blijven echter sceptisch dat de quasars een vreemd universum blijken te zijn. Verschillende voor dit artikel geïnterviewde onderzoekers zeiden dat verschillende technische uitdagingen, zoals de ongelijke verdeling van de quasars, het moeilijk maken om de quasars te vergelijken met de CMB. “Die studies zijn vrij moeilijk om te doen”, zegt Tamara Davis , een astrofysicus aan de Universiteit van Queensland in Australië.

Durrer noemt het quasar-bewijs niet overtuigend en zegt dat ze er open voor staat. Ze bedacht onlangs een alternatieve test die verschillende manieren combineert waarop onze beweging het uiterlijk van verre sterrenstelsels zou veranderen. Zij en haar collega’s berekenden dat, met behulp van hun techniek, de volgende generatie observatoria in staat zullen zijn om eigenaardige snelheden op te pikken die slechts een paar procentpunten verschillen, waardoor dit decennium precisietests van isotropie en het kosmologische principe mogelijk zullen zijn. Ze publiceerden hun nieuwe aanpak in begin november.

“Dit zullen we kunnen oplossen”, zei Durrer.

Ontsnappen aan de achtergrond

Om gelijke tred te houden met scherpere waarnemingen van het universum, nemen veel theoretici in hun standaardmodelberekeningen bescheiden rimpelingen van materie op in een overigens gladde vloeistof, vergelijkbaar met het verbeteren van een schatting van het volume van de aarde door een assortiment van bergketens op te nemen. “Je maakt het leven weer ingewikkelder, maar je voegt de complicaties op een gecontroleerde manier toe”, zei Nadathur.

Maar sommigen, zoals Buchert, de Franse kosmoloog, willen een vollediger vertrek van de veronderstelling dat het universum overal hetzelfde is. Daartoe heeft Buchert tientallen jaren besteed aan het ontwikkelen van een “achtergrondvrij” model van kosmologie.

De algemene relativiteitstheorie van Einstein vernietigde het klassieke idee van een achtergrond – een vast podium waaraan men afstanden en bewegingen zou kunnen meten. In plaats daarvan zegt het dat ruimte-tijd rond de materie buigt, zoals theatergordijnen die zwiepen nadat acteurs voorbij komen, waardoor de actie van het stuk soms moeilijk te volgen is. Het standaardmodel laat de ruimte-tijd een beetje buigen, maar gebruikt het kosmologische principe om de krommen klein en de expansiesnelheid uniform te houden. Op deze manier herstelt het een idee van een achtergrond om berekeningen mogelijk te maken.

Het werk van Buchert rekent af met de universele achtergrond. In plaats daarvan splitst hij de kosmos in grote stukken en neemt het gemiddelde van de hoeveelheid materie (en de resulterende verbuiging van ruimte-tijd) in elk gebied. Vervolgens beschouwt hij het gemiddelde als een lokale achtergrond waartegen alle gebeurtenissen die zich binnen die brok voordoen, kunnen worden geïnterpreteerd – een benadering die een onverwacht resultaat heeft opgeleverd.

In 1998 stelden astrofysici die naar verre supernova’s keken vast dat het heelal in de loop van de tijd sneller lijkt uit te dijen. Hun Nobelprijswinnende observatie impliceerde dat een of andere afstotende energie, donkere energie genaamd – waarschijnlijk de energie van de ruimte zelf – sterrenstelsels met meer kracht uit elkaar duwt dan de zwaartekracht ze samen kan trekken.

De achtergrondvrije benadering van Buchert heeft een andere mogelijkheid naar voren gebracht. Vergeleken met kleine, dichte delen van sterrenstelsels, breiden lege “leegtes” in de ruimte zich sneller uit, omdat er minder sterrenstelsels zijn die elkaar door de zwaartekracht aantrekken en vertragen. Omdat de lege delen sneller groeien dan de dichte delen, wordt het universum leger. En zo groeit de algehele expansiesnelheid. Buchert stelt dat dit effect, terugreactie genaamd, de kosmische versnelling zou kunnen verklaren zonder dat donkere energie nodig is.

Andere kosmologen zijn het erover eens dat de behandeling zonder achtergrond wiskundig verantwoord is, en dat terugreactie reëel is. Maar is het effect groot genoeg om donkere energie te doden? Deze vraag motiveerde Durrer en haar collega’s om in 2019 een grootschalige simulatie uit te voeren. Ze bereidden een digitaal universum voor dat bevolkt was met honderden miljarden sterrenstelsels en berekenden hoe verschillende uitzettingssnelheden in holtes en clusters van sterrenstelsels lichtstralen zouden beïnvloeden die op weg waren naar een willekeurig geplaatste astronoom . Ze ontdekten dat een terugslag de meting van de uitdijingssnelheid van het heelal door de astronoom met ongeveer 2% zou verwerpen. Met andere woorden, het standaardmodel voorspelt een steeds snellere uitdijing van de ruimte die 98% nauwkeurig lijkt te zijn, en terugreactie worstelt om donkere energie weg te verklaren.

“De consensus is nu dat het een klein effect is dat uiteindelijk niet al te veel problemen veroorzaakt”, zei Nadathur.

Maar die 2% kan nog gevolgen hebben. Durrer onderzoekt of terugreactie kan helpen bij het oplossen van een groeiende kosmologische crisis . De crisis, bekend als de Hubble-spanning, is dat het nabijgelegen universum ongeveer 9% sneller lijkt uit te dijen dan wat het standaardmodel voorspelt voor de algehele expansiesnelheid van het universum. Er zijn veel verklaringen geopperd, waaronder radicaal nieuwe ingrediënten in de kosmos. Maar Buchert betoogdevorig jaar dat het brede kosmologische principe de oorzaak zou kunnen zijn van de schijnbare discrepantie. In een klonterig universum zou je verwachten dat lege plekken sneller uitdijen dan gemiddeld.

Durrer simuleert de effecten van terugreactie om de kans te berekenen dat we in het midden van zo’n leeg, uitgestrekt stuk ruimte zouden zijn beland. “Zelfs als [terugreactie] niet voldoende is om de versnelde expansie te verklaren, kan het marginaal voldoende zijn om de Hubble-spanning op te lossen,” zei ze, hoewel ze niet verwacht dat het het hele antwoord zal geven.

Een bevoorrechte locatie

Als de Hubble-spanning een gedeeltelijk door een terugreactie veroorzaakte luchtspiegeling blijkt te zijn, zal dat het eerste grote voorbeeld zijn van het kosmologische principe dat ons begrip van de kosmos eerder belemmert dan helpt. Maar voor nu, zeggen onderzoekers, lijkt de voorspellende kracht van het principe redelijk goed stand te houden.

“Is het heelal werkelijk overal homogeen en isotroop? Voor zover wij op dit moment weten, is dat zo”, zei Nadathur.

Grote conclusies trekken over de hele kosmos is moeilijk omdat we ons immers op een unieke locatie bevinden: het hier en nu. Telescopen kunnen slechts tot nu toe zien, waardoor het lijkt alsof sterrenstelsels naar de grenzen van hun gezichtsveld verstrijken. En terwijl astronomen verder weg en dieper in het verleden turen, zien ze sterrenstelsels in het vroege heelal zich anders gedragen dan nu. Artefacten van ons enkelvoudige perspectief worden maar al te gemakkelijk aangezien voor tekortkomingen van het kosmologische principe zelf.

“Bijna elk effect dat je kan verknoeien, werkt op die manier”, zei Howell. “Het komt allemaal omdat we maar één uitkijkpunt hebben om vanuit het universum te kijken.”

Correctie: December 13, 2021

In dit artikel werd Thomas Buchert oorspronkelijk gecrediteerd met het noemen van het effect dat bekend staat als terugreactie. In feite stelt hij dat dit eerder bekende effect de versnelde uitdijing van het universum zou kunnen verklaren.

VERWANT:


  1. Een nieuwe kosmische spanning: het universum is misschien te dun
  2. Welke vorm heeft het universum? Een nieuwe studie suggereert dat we het helemaal mis hebben
  3. Geen donkere energie? Geen kans, beweren kosmologen
  • Bron: quantamagazine.org

Geef een reactie

Scroll naar top
%d bloggers liken dit: