Het bizarre heelal november 2009 Eos

Dat het grootste deel van alle materie in het heelal uit onbekende, donkere deeltjes bestaat, is een verontrustende constatering. Kennelijk hebben sterrenkundigen de afgelopen eeuwen vooral onderzoek gedaan naar het kleine zichtbare topje van een kolossale donkere kosmische ijsberg, waarvan niemand de samenstelling kent. De ontdekking van de nog veel raadselachtiger ‘donkere energie’, ruim tien jaar geleden, heeft het mysterie van het bizarre heelal alleen maar vergroot.

Wij leven in een uitdijend heelal. Een kosmos die voortdurend groter wordt. Waarin de onderlinge afstanden tussen ver verwijderde sterrenstelsels continu toeneemt. De uitdijing van het heelal werd in 1929 ontdekt door de Amerikaanse kosmoloog Edwin Hubble. Hubble’s collega’s hadden van verre sterrenstelsels de snelheden gemeten. Merkwaardig genoeg bleken vrijwel alle stelsels van ons eigen Melkwegstelsel weg te bewegen, vaak met duizelingwekkende snelheden. Hubble ontdekte dat die ‘vluchtsnelheid’ groter is naarmate het stelsel verder weg staat. Dat kon eigenlijk maar één ding betekenen: alle afstanden in het heelal nemen toe. Anders gezegd: het heelal dijt uit.

Vóór Hubbles ontdekking werd algemeen aangenomen dat het heelal statisch en onveranderlijk was. En dat het altijd had bestaan, zonder begin of eind. Natuurlijk gebeurde er van alles in de kosmos, en vertoonden sterrenstelsels onderlinge bewegingen, maar door de bank genomen zou het heelal er altijd min of meer hetzelfde uitzien. Met die gedachte rekende Hubbles ontdekking resoluut af. Als het heelal uitdijt, moeten de sterrenstelsels lang geleden op kleinere afstanden gestaan hebben. Dan zag het heelal er vroeger anders uit dan nu. Dan leven we in een evoluerend universum, dat bovendien een begin moet hebben gehad. De ontdekking van de uitdijing van het heelal leidde tot de oerknaltheorie.

De Belgische jezuïetenpriester en astronoom Georges Lemaître kwam begin jaren dertig van de vorige eeuw met zijn ideeën over het ‘oeratoom’, dat hij soms ook wel het ‘kosmisch ei’ noemde. Volgens Lemaître zat alle materie in het heelal lang geleden stijf opeen geperst, waarna er een soort explosie plaatsvond – de oerknal. Wij zouden ons op een van de afgekoelde brokstukjes van die oerexplosie bevinden, met overal om ons heen de uitdovende en wegvluchtende restanten van het hemelse vuurwerk. Later rekende de Russisch-Amerikaanse natuurkundige George Gamow voor dat het ‘oeratoom’ van Lemaître heel heet moet zijn geweest, en dat er spontane kernfusiereacties in optraden.

Een krachtige vuurwerkexplosie is een voor de hand liggende analogie van de oerknal, maar wel een foute. In werkelijkheid was de oerknal geen explosie van materie in een bestaande lege ruimte, maar was het de explosie van de ruimte zelf. Dat het heelal uitdijt betekent niet dat de sterrenstelsels uit elkaar bewegen door een lege ruimte, zoals de gloeiende fragmenten van een geëxplodeerde vuurpijl, maar dat de ruimte zélf uitdijt. Het uit elkaar bewegen van de sterrenstelsels is nog het best te vergelijken met het uit elkaar bewegen van de krenten en rozijnen in een cake die in de oven aan het rijzen is: ze verplaatsen zich niet door het deeg, maar het deeg dijt zelf uit, waardoor alle afstanden toenemen.

De uitdijing van de ruimte is ook de ware oorzaak van de zogeheten roodverschuiving in het licht van een ver sterrenstelsel, die een maat is voor de afstand. Tijdens de miljarden jaren durende reis naar de aarde worden de lichtgolven uitgerekt als gevolg van de uitdijing van het heelal. Hoe langer het licht onderweg is door die uitdijende ruimte, hoe meer de golflengte toeneemt. Uiteindelijk komt het licht op aarde aan met een veel rodere kleur dan waarmee het op pad ging. Die roodverschuiving is dus een maat voor de tijd die het licht onderweg is geweest, en daardoor tevens een maat voor de afstand, hoewel die zich pas laat bepalen als je de uitdijingsgeschiedenis van het heelal goed kent.

De uitdijingsgeschiedenis van het heelal
Hoe verder twee sterrenstelsels van elkaar af staan, hoe meer ruimte zich tussen die twee stelsels bevindt. Wanneer die ruimte uitdijt, neemt de afstand tussen de stelsels dus toe. Die toename is natuurlijk groter voor sterrenstelsels die al op een grote onderlinge afstand staan dan voor sterrenstelsels die veel dichter bij elkaar staan, met minder uitijdende ruimte er tussen. De uitdijing van het heelal voltrekt zich dan ook niet met één bepaalde snelheid. In plaats daarvan is de onderlinge ‘verwijderingssnelheid’ van twee sterrenstelsels recht evenredig met hun afstand. De bijbehorende evenredigheidsconstante wordt de Hubbleconstante genoemd. Volgens de nieuwste metingen bedraagt die ruim 70 kilometer per seconde per megaparsec. Dat betekent dat twee stelsels op een onderlinge afstand van 100 megaparsec (ruim 300 miljoen lichtjaar) zich van elkaar verwijderen met een snelheid van 7000 kilometer per seconde.

De term ‘Hubbleconstante’ is feitelijk onjuist. Kosmologen hebben het liever over de Hubble-parameter. De reden is dat de Hubbleconstante miljarden jaren geleden een andere waarde had dan nu. De onderlinge aantrekkingskracht van alle materie in het heelal remt de uitdijing af. Het is alsof de krenten en rozijnen in onze voorbeeldcake onderling verbonden zijn met elastiekjes – dat zou er ook toe leiden dat het deeg minder sterk rijst. Midden vorige eeuw werd algemeen aangenomen dat de Hubble-parameter in de loop van de tijd steeds kleiner wordt als gevolg van de zwaartekracht. Anders gezegd: het heelal zou steeds langzamer uitdijen. De bepaling van de bijbehorende ‘vertragingsparameter’ werd gezien als een van de belangrijkste doelstellingen van de kosmologie. Die parameter is namelijk een maat voor de totale hoeveelheid zwaartekracht, en dus voor de totale hoeveelheid materie in het heelal. En als je die weet, valt ook te berekenen hoe het heelal zich in de verre toekomst zal gedragen.

Als de uitdijingssnelheid van het heelal altijd gelijk is geweest, dan bestaat er een recht evenredig verband tussen de afstand van een sterrenstelsel en zijn roodverschuiving. Maar als het heelal lang geleden sneller uitdijde dan nu, dan moeten de allerverste sterrenstelsels wat dichterbij staan dan je op basis van hun roodverschuiving zou verwachten. Om de uitdijingsgeschiedenis van het heelal te achterhalen, moet je dus in staat zijn om van zeer ver verwijderde objecten de afstand te bepalen zónder je daarbij te baseren op de roodverschuiving. Dat kan bijvoorbeeld wanneer je van een bepaald type object precies weet hoeveel licht het uistraalt. De waargenomen helderheid is dan een directe en onafhankelijke maat voor de afstand.

Sterrenkundigen hebben ontdekt dat supernova’s van het type Ia die rol van ‘kosmologische standaardkaars’ kunnen vervullen. Een type Ia-supernova ontstaat wanneer een witte dwergster materie van een begeleider opzuigt, en daarbij boven een bepaalde kritische massa komt. De ster spat dan volledig uit elkaar, en omdat die explosies altijd bij dezelfde massa plaatsvinden, produceren ze ook allemaal ongeveer evenveel energie. Er is wel wat variatie, maar die blijkt ook invloed te hebben op het verloop van de explosie: de helderste Ia-supernova’s doven wat langzamer uit dan de zwakkere. Voor dat effect valt gemakkelijk te corrigeren, waarna je voor elke supernova uit de waargenomen helderheid direct kunt berekenen op welke afstand hij plaatsvond.

Twee internationale teams van astronomen maakten eind twintigste eeuw jacht op verre supernova’s van het type Ia, met als doel de uitdijingsgeschiedenis van het heelal te achterhalen. Met relatief kleine telescopen hielden ze nacht na nacht vele tienduizenden verre sterrenstelsels in de gaten, bijgestaan door slimme, volautomatische computersoftware. Zodra in een van die stelsels een supernova opvlamde, werd een grotere telescoop ingezet om er nauwkeurige metingen van het helderheidsverloop en van de roodverschuiving aan te verrichten. Zo kon uiteindelijk van tientallen suerpnova’s op heel verschillende afstanden worden onderzocht wat de werkelijke relatie is tussen roodverschuiving en afstand.

De resultaten waren ronduit verbluffend. Zowel het team van Saul Perlmutter (Universiteit van Californië in Berkeley) als het team van Brian Schmidt (Australian National University) kwam tot de conclusie dat de verste supernova’s niet dichterbij staan dan je op basis van hun roodverschuiving zou verwachten, maar juist verder weg. Dat kan maar één ding betekenen: de uitdijingssnelheid van het heelal is in het verleden niet kleiner, maar juist groter geworden. Een paar miljard jaar geleden had de Hubble-parameter een lagere waarde dan nu, en in de verre toekomst zullen de afstanden tussen twee sterrenstelsels in een steeds hoger tempo toenemen. Wij leven klaarblijkelijk in een heelal dat een versnellende uitdijing vertoont.

Doorbraak van het jaar
Perlmutter en Schmidt presenteerden hun opzienbarende conclusies voor het eerst in januari 1998, tijdens de jaarlijkse winterbijeenkomst van de American Astronomical Society in Washington, D.C. Later dat jaar werd de ontdekking van de versnellende uitdijing van het heelal door het vooraanstaande Amerikaanse weekblad Science uitgeroepen tot de ‘wetenschappelijke doorbraak van het jaar’. Inmiddels was er nauwelijks een krant of populair-wetenschappelijk tijdschrift meer te vinden dat er niet over had gepubliceerd, en waren kosmologen en wetenschapsjournalisten druk bezig met het schrijven van de eerste boeken over de revolutionaire ontdekking.

Natuurlijk was er aanvankelijk veel scepsis over de supernova-resultaten. Dat de supernova’s met de allerhoogste roodverschuivingen er wat zwakker uitzien dan je zou verwachten, zou misschien ook kunnen komen door de absorberende werking van stofwolken in het heelal. Of misschien is er sprake van een evolutionair effect en gedroegen type Ia-supernova’s zich in de prille jeugd van het heelal wel gewoon wat anders dan tegenwoordig, mogelijk doordat ze minder zware elementen bevatten. En was het niet wat voorbarig om zulke vérstrekkende conclusies te trekken uit metingen aan een handjevol verre supernova’s?

Tegenwoordig wordt er echter door vrijwel niemand meer getwijfeld aan de versnellende uitdijing van het heelal. Inmiddels zijn van vele honderden verre supernova’s afstanden en roodverschuivingen gemeten. Op overtuigende wijze is aangetoond dat er geen sprake is van abosrberend stof of van een evoltuei-effect. En bovendien zijn ook de nieuwste metingen aan de kosmische achtergrondstraling – het afgekoelde en verzwakte overblijfsel van de energie die kort na de oerknal vrijkwam – alleen goed te begrijpen wanneer wordt aangenomen dat de uitdijingssnelheid van het heelal toeneemt in plaats van afneemt.

Maar daarmee is natuurlijk nog niet bekend hoe die versnellende uitdijing is ontstaan, en welke natuurkundige processen eraan ten grondslag liggen. Kennelijk bevat de lege ruimte een mysterieuze, afstotende kracht – een soort ‘donkere energie’ die ertoe leidt dat de bestaande uitdijingssnelheid toeneemt, ondanks de afremmende zwaartekrachtswerking van alle materie in het heelal. Over de eigenschappen en de herkomst van die ‘donkere energie’ is echter niets met zekerheid bekend. En of die afstotende werking zélf constant is, of misschien in de loop van de tijd ook wel varieert, weet ook geen mens.

Daarmee wordt eens te meer duidelijk hoe weinig er nog begrepen wordt van het heelal. De vorming van clusters en sterrenstelsels kan met behulp van gedetailleerde computersimulaties behoorlijk goed worden nagebootst, en dat wekt al snel de indruk dat kosmologen de evolutie van het heelal in grote lijnen begrijpen. Maar de resultaten van die computersimulaties komen alleen met de wargenomen werkelijkheid overeen wanneer wordt aangenomen dat het overgrote deel van de materie in het heelal uit mysterieuze deeltjes bestaat, en dat er een onbegrepen afstotende kracht werkzaam is in de lege ruimte. Over de ware aard van donkere materie en donkere energie tasten wetenschappers – heel toepasselijk – in het duister.

Zo ontstaat een beeld van een bizar heelal, waarin de vertrouwde wereld van atomen en moleculen een kleine, ondergeschikte rol speelt. Van de totale ‘inhoud’ van het heelal – materie én energie – bestaat grofweg zeventig procent uit de raadselachtige donkere energie die de versnellende uitdijing van het heelal veroorzaakt. Zesentwintig procent van het totaal bestaat uit mysterieuze donkere materie: onbekende deeltjes die geen deel uitmaken van de tastbare wereld om ons heen. Slechts vier procent van de inhoud van het heelal wordt gevormd door ‘gewone’ materie: atoomkernen en elektronen. En overigens is driekwart van die vier procent ook zo koel dat er nauwelijks straling wordt uitgezonden. De zichtbare sterren en sterrenstelsels in de kosmos vertegenwoordigen dus maar één procent van het universum.

Sterrenkundigen hopen dat toekomstige metingen meer licht zullen werpen op het raadsel van de donkere materie en de donkere energie. Experimenten in grote ondergrondse deeltjeslaboratoria zullen misschien leiden tot de directe waarneming van donkere materie. Met gammatelescopen lukt het wellicht om de energierijke straling te detecteren die geproduceerd wordt wanneer donkeremateriedeeltjes elkaar annihileren. En grote, gevoelige telescopen op aarde en in de ruimte moeten nieuwe detailinformatie opleveren over de uitdijing van het heelal, zodat duidelijk wordt welke van de vele voorgestelde theorieën over donkere energie rijp zijn voor de prullenbak.

In elk geval leidt de ontdekking van de versnellende uitdijing van het heelal wel tot een nieuwe kijk op de toekomst van de kosmos. De nieuwe metingen doen vermoeden dat de uitdijing nooit meer tot stilstand zal komen, laat staan dat hij zal omkeren in een inkrimping, zoals in het verleden nog wel eens werd gesuggereerd. In plaats daarvan zal de lege ruimte juist steeds sneller in omvang toenemen, waardoor op den duur vrijwel alle sterrenstelsels in het heelal zich buiten onze waarnemingshorizon zullen begeven. Wellicht zal er zelfs sprake zijn van een ‘Big Rip’, waarbij de uitdijingssnelheid exponentieel toeneemt, en uiteindelijk zelfs sterrenstelsels, sterren, planeten en atomen uiteengescheurd zullen worden door de mysterieuze donkere energie.

Hoe het ook zij, die onheilspellende toekomstscenario’s zullen zich pas over talloze miljarden jaren afspelen. Wij gaan het in elk geval niet meer meemaken, en het is bepaald niet uitgesloten dat het einde van het heelal voorlopig nog in nevelen gehuld zal blijven. Of dat ook geldt voor de oorsprong en de uniciteit van het heelal is een open vraag, die volgende maand centraal staat in de laatste aflevering van deze serie.

Kader 1 - Open, vlak of gesloten?
Wij stellen ons de lege ruimte gewoonlijk voor als een soort driedimensionale versie van een vel ruitjespapier. Zo’n ruimte, waarin evenwijdige lijnen altijd evenwijdig blijven en waarin de klassieke meetkunde van Euclides geldt, heet een Euclidische of vlakke ruimte. Maar volgens Einsteins relativiteitstheorie is de lege ruimte niet noodzakelijkerwijs Euclidisch. Het heelal kan ook ‘open’ of ‘gesloten’ zijn. In het eerste geval wijken evenwijdige lijnen uiteen; in het tweede geval naderen ze elkaar juist. In zo’n gekromde ruimte gelden andere wiskundige formules. Zo is de verhouding tussen omtrek en middellijn van een cirkel niet langer gelijk aan het getal pi, en is de som van de hoeken van een driehoek niet langer gelijk aan 180 graden.

De ruimtekromming hangt samen met de totale hoeveelheid materie in het heelal. Bij een bepaalde ‘kritische dichtheid’ is het heelal vlak. Is die dichtheid lager dan die kritische waarde, dan leven we in een open heelal, dat eeuwig blijft uitdijen. Ligt de dichtheid boven de kritische waarde, dan is er meer zwaartekracht en is het heelal gesloten; de uitdijing zal dan in de toekomst omkeren in een inkrimping. Althans, zo keken kosmologen er tot ruim tien jaar geleden tegenaan.

Met de ontdekking van de versnellende uitdijing van het heelal is de situatie een stuk ingewikkelder geworden. De donkere energie vertegenwoordigt ook een bepaalde ruimtekromming. Dat betekent dat het heelal zelfs met een materiedichtheid die kleiner is dan de kritische waarde toch nog vlak kan zijn. Alle waarnemingen tot nu toe zijn overigens in overeenstemming met een ongekromd heelal. Dankzij de donkere energie zal dat vlakke heelal echter met toenemende snelheid blijven uitdijen.

Kader 2 - Eigenbewegingen
Door de uitdijing van het heelal nemen de onderlinge afstanden tussen sterrenstelsels toe. Toch gebeurt het ook wel eens dat sterrenstelsels met elkaar in botsing komen. Zo bewegen het Melkwegstelsel en het Andromedastelsel op elkaar af. De reden is dat sterrenstelsels ook hun eigen bewegingssnelheden door de ruimte hebben. Wanneer ze bij elkaar in de buurt staan, worden die bewegingen beïnvloed door de onderlinge zwaartekracht. Als je het uitdijende heelal met zijn sterrenstelsels vergelijkt met een rijzende rozijnencake in de oven, is het alsof de krenten en rozijnen in de cake geen vaste positie in het deeg hebben, maar een klein beetje aan de wandel zijn.

De uitdijing van het heelal speelt dus geen rol van betekenis in relatief compacte clusters en groepen van sterrenstelsels. Ook binnen afzonderlijke sterrenstelsels is er geen sprake van uitdijende ruimte. Juist doordat de structuur van de ruimte volgens Einsteins relativiteitstheorie bepaald wordt door de zwaartekracht van alle objecten die zich erin bevinden, vindt er op die kleine schalen geen uitdijing plaats. Ons Melkwegstelsel is in de afgelopen miljarden jaren dus niet groter geworden als gevolg van de uitdijing van het heelal.

© Govert Schilling