Heading

Opmerking van de redacteur: Dit verhaal werd oorspronkelijk gepubliceerd in het februarinummer 2004 van Scientific American. We plaatsen dit verhaal opnieuw omdat auteur Adam Riess in 2008 door de MacArthur Foundation werd geselecteerd als MacArthur Fellow.

Van de tijd van Isaac Newton tot het eind van de jaren negentig van de vorige eeuw was het bepalende kenmerk van de zwaartekracht haar aantrekkingskracht. De zwaartekracht houdt ons aan de grond. Het vertraagt het opstijgen van honkballen en houdt de maan in een baan om de aarde. De zwaartekracht voorkomt dat ons zonnestelsel uit elkaar vliegt en bindt enorme clusters van melkwegstelsels samen. Hoewel Einsteins algemene relativiteitstheorie toestaat dat zwaartekracht zowel kan duwen als trekken, beschouwden de meeste natuurkundigen dit als een zuiver theoretische mogelijkheid, die irrelevant is voor het huidige heelal. Tot voor kort verwachtten astronomen dat de zwaartekracht de uitdijing van de kosmos zou vertragen.

In 1998 ontdekten onderzoekers echter de afstotende kant van de zwaartekracht. Door het zorgvuldig observeren van verre supernovae – sterrenexplosies die gedurende korte tijd zo helder schijnen als 10 miljard zonnen – ontdekten astronomen dat ze zwakker waren dan verwacht. De meest plausibele verklaring voor het verschil is dat het licht van de supernovae, die miljarden jaren geleden explodeerden, een grotere afstand heeft afgelegd dan theoretici hadden voorspeld. En deze verklaring leidde weer tot de conclusie dat de uitdijing van het heelal in feite versnelt in plaats van vertraagt. Dit was zo’n radicale bevinding dat sommige kosmologen suggereerden dat het afnemen van de helderheid van supernova’s het resultaat was van andere effecten, zoals intergalactisch stof dat het licht dimt. De afgelopen paar jaar hebben astronomen de kosmische versnelling echter bevestigd door steeds verder weg gelegen supernovae te bestuderen.

Maar is de kosmische uitdijing gedurende de hele levensduur van het heelal versneld, of is het een relatief recente ontwikkeling – dat wil zeggen, in de afgelopen vijf miljard jaar of zo? Het antwoord heeft verstrekkende gevolgen. Als wetenschappers tot de conclusie komen dat de uitdijing van het heelal altijd is versneld, zullen zij hun begrip van de kosmische evolutie volledig moeten herzien. Maar als, zoals kosmologen verwachten, de versnelling een recent verschijnsel blijkt te zijn, kunnen onderzoekers misschien de oorzaak ervan vaststellen – en misschien de grotere vraag naar het lot van het heelal beantwoorden – door te weten te komen wanneer en hoe de uitdijing begon te versnellen.

Slag der Titanen
AFGELOPEND 75 JAAR geleden ontdekte astronoom Edwin Hubble de uitdijing van het heelal door waar te nemen dat andere sterrenstelsels zich van het onze verwijderden. Hij merkte op dat de verder weg gelegen sterrenstelsels zich sneller terugtrokken dan de dichterbij gelegen stelsels, in overeenstemming met wat nu bekend staat als de wet van Hubble (relatieve snelheid is gelijk aan afstand vermenigvuldigd met de constante van Hubble). Bezien in de context van Einsteins algemene relativiteitstheorie ontstaat de wet van Hubble door de uniforme uitdijing van de ruimte, die niet meer is dan een schaalvergroting van de omvang van het heelal.

In Einsteins theorie geldt het begrip zwaartekracht als een aantrekkende kracht nog steeds voor alle bekende vormen van materie en energie, zelfs op kosmische schaal. Daarom voorspelt de algemene relativiteit dat de uitdijing van het heelal moet vertragen met een snelheid die wordt bepaald door de dichtheid van materie en energie in het heelal. Maar de algemene relativiteit laat ook de mogelijkheid toe van vormen van energie met vreemde eigenschappen die een afstotende zwaartekracht veroorzaken. De ontdekking van een versnellende in plaats van vertragende uitdijing heeft blijkbaar de aanwezigheid van zo’n energievorm onthuld, die donkere energie wordt genoemd.

Of de uitdijing nu vertraagt of versnelt hangt af van een strijd tussen twee titanen: de aantrekkende zwaartekracht van materie en de afstotende zwaartekracht van donkere energie. Wat telt in deze strijd is de dichtheid van beide. De dichtheid van materie neemt af naarmate het heelal uitdijt, omdat het volume van de ruimte toeneemt. (Slechts een klein deel van de materie heeft de vorm van lichtgevende sterren; het grootste deel wordt verondersteld donkere materie te zijn, die geen merkbare wisselwerking heeft met gewone materie of licht, maar wel een aantrekkende zwaartekracht heeft). Hoewel er weinig bekend is over donkere energie, wordt verwacht dat de dichtheid ervan langzaam of helemaal niet zal veranderen naarmate het heelal uitdijt. Momenteel is de dichtheid van donkere energie hoger dan die van materie, maar in een ver verleden zou de dichtheid van materie groter moeten zijn geweest, zodat de uitdijing toen zou moeten zijn vertraagd.

Cosmologen hebben andere redenen om te verwachten dat de uitdijing van het heelal niet altijd sneller is gegaan. Als dat wel het geval was geweest, zouden wetenschappers geen verklaring hebben voor het bestaan van de kosmische structuren die nu in het heelal worden waargenomen. Volgens de kosmologische theorie zijn sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en grotere structuren ontstaan uit kleine inhomogeniteiten in de materiedichtheid van het vroege heelal, die aan het licht komen door variaties in de temperatuur van de kosmische microgolfachtergrond (CMB). De sterkere aantrekkingskracht van de overdichte gebieden van materie stopte hun uitdijing, waardoor ze gravitationeel gebonden objecten konden vormen – van sterrenstelsels zoals het onze tot grote clusters van sterrenstelsels. Maar als de uitdijing van het heelal altijd was versneld, zou het de structuren uit elkaar hebben getrokken voordat ze konden worden samengevoegd. Bovendien zouden, als de uitdijing was versneld, twee belangrijke aspecten van het vroege heelal – het patroon van de CMB-variaties en de abundanties van lichtelementen die seconden na de oerknal zijn ontstaan – niet overeenstemmen met de huidige waarnemingen.

Niettemin is het belangrijk om te zoeken naar direct bewijs voor een vroegere, vertragende uitdijingsfase. Dergelijk bewijs zou helpen het standaard kosmologisch model te bevestigen en wetenschappers een aanwijzing geven voor de onderliggende oorzaak van de huidige periode van kosmische versnelling. Omdat telescopen terug in de tijd kijken wanneer ze licht verzamelen van verre sterren en sterrenstelsels, kunnen astronomen de uitdijingsgeschiedenis van het heelal onderzoeken door zich te richten op verre objecten. Die geschiedenis is gecodeerd in de relatie tussen de afstanden en de vluchtsnelheden van sterrenstelsels. Als de uitdijing vertraagt, zal de snelheid van een ver weg gelegen sterrenstelsel relatief groter zijn dan de snelheid die door de wet van Hubble wordt voorspeld. Als de uitdijing versnelt, zou de snelheid van het verre sterrenstelsel onder de voorspelde waarde vallen. Of, anders gezegd, een sterrenstelsel met een bepaalde vluchtsnelheid zal verder weg zijn dan verwacht – en dus zwakker – als het heelal versnelt.

Supernova-Jagen
Om van dit eenvoudige feit te kunnen profiteren, moeten astronomische objecten worden gevonden met een bekende intrinsieke lichtkracht – de hoeveelheid straling die het object per seconde produceert – en die in het heelal te zien zijn. Een bepaalde klasse van supernovae, bekend als type Ia, is zeer geschikt voor deze taak. Deze sterexplosies zijn zo helder dat telescopen op de grond ze tot halverwege het zichtbare heelal kunnen zien, en de Hubble-ruimtetelescoop kan ze zelfs van nog verder weg bekijken. De afgelopen tien jaar hebben onderzoekers de intrinsieke lichtkracht van type Ia supernovae zorgvuldig gekalibreerd, zodat de afstand tot een van deze explosies kan worden bepaald uit de schijnbare helderheid ervan.

Astronomen kunnen de vluchtsnelheid van een supernova afleiden door de roodverschuiving te meten van het licht van het sterrenstelsel waarin de supernova zich bevindt. Straling van objecten die zich terugtrekken, verschuift naar langere golflengten; licht dat wordt uitgezonden toen het heelal half zo groot was als nu, verdubbelt bijvoorbeeld in golflengte en wordt roder. Door de roodverschuiving en de schijnbare helderheid van een groot aantal supernovae op verschillende afstanden te meten, kunnen onderzoekers de uitdijing van het heelal vastleggen.

Supernovae van het type Ia zijn helaas zeldzaam: ze komen in een sterrenstelsel als de Melkweg gemiddeld maar eens in de paar eeuwen voor. De techniek die door supernovajagers wordt gebruikt, is het herhaaldelijk waarnemen van een stuk hemel met duizenden sterrenstelsels en dan de beelden vergelijken. Een lichtpuntje dat op het ene beeld wel, maar op het andere beeld niet verschijnt, kan een supernova zijn. De resultaten van 1998, waaruit bleek dat er aanwijzingen waren voor kosmische versnelling, waren gebaseerd op de waarnemingen van twee teams die supernovae bekeken die explodeerden toen het heelal ongeveer tweederde van zijn huidige omvang had, zo’n vijf miljard jaar geleden.

Sommige wetenschappers vroegen zich echter af of de teams de gegevens van de supernovae wel juist hadden geïnterpreteerd. Was het mogelijk dat een ander effect dan kosmische versnelling ervoor had kunnen zorgen dat de supernovae zwakker leken dan verwacht? Stof in de intergalactische ruimte kan de supernovae ook zwakker doen lijken. Of misschien zijn supernovae uit de oudheid juist zwakker geboren omdat de chemische samenstelling van het heelal anders was dan nu, met een kleinere overvloed aan zware elementen die door kernreacties in sterren worden geproduceerd.

Gelukkig is er een goede test beschikbaar voor de concurrerende hypotheses. Als supernovae zwakker lijken dan verwacht vanwege een astrofysische oorzaak, zoals een wijdverbreid stofscherm, of omdat supernovae in het verleden zwakker zijn geboren, dan zou het vermeende verduisteringseffect moeten toenemen met de roodverschuiving van de objecten. Maar als het dimmen het gevolg is van een recente versnelling van de kosmos die volgde op een eerdere periode van vertraging, dan zouden supernovae uit de periode van vertraging relatief helderder lijken. Daarom zouden waarnemingen van supernovae die explodeerden toen het heelal minder dan tweederde van zijn huidige omvang had, het bewijs kunnen leveren om aan te tonen welke van de hypotheses juist is. (Het is natuurlijk mogelijk dat een onbekend astrofysisch verschijnsel precies de effecten van zowel de versnelling als de vertraging evenaart, maar wetenschappers zijn over het algemeen tegen dergelijke kunstmatig afgestemde verklaringen.)

Het vinden van zulke oude en verre supernovae is echter moeilijk. Een type Ia supernova die explodeerde toen het heelal half zo groot was als nu, is ongeveer een tienmiljardste zo helder als Sirius, de helderste ster aan de hemel. Telescopen op de grond kunnen deze objecten niet betrouwbaar waarnemen, maar de Hubble-ruimtetelescoop kan dat wel. In 2001 maakte een van ons (Riess) bekend dat de ruimtetelescoop bij toeval een extreem verre supernova van het type Ia (SN 1997ff genoemd) in beeld had gebracht tijdens herhaalde waarnemingen. Gezien de roodverschuiving van het licht van deze stellaire explosie – die ongeveer 10 miljard jaar geleden plaatsvond, toen het heelal een derde van zijn huidige omvang had – leek het object veel helderder dan het zou zijn geweest als de hypothese van het stoffige heelal juist was geweest. Dit resultaat was het eerste directe bewijs van het vertragende tijdperk. Wij tweeën stelden voor dat waarnemingen van meer supernovae op hoge roodverschuiving definitief bewijs konden leveren en de overgang van vertraging naar versnelling konden vastleggen.

De Advanced Camera for Surveys, een nieuw beeldvormingsinstrument dat in 2002 op de ruimtetelescoop werd geïnstalleerd, stelde wetenschappers in staat om van de Hubble een supernova-jachtmachine te maken. Riess leidde een poging om de benodigde steekproef van zeer verre supernovae van type Ia te ontdekken door mee te liften op de Great Observatories Origins Deep Survey. Het team vond zes supernovae die explodeerden toen het heelal minder dan half zo groot was als nu (meer dan zeven miljard jaar geleden); samen met SN 1997ff zijn dit de verste type Ia supernovae die ooit zijn ontdekt. De waarnemingen bevestigen het bestaan van een vroege vertragingsperiode en plaatsen het overgangs-“rustpunt” tussen vertragen en versnellen op ongeveer vijf miljard jaar geleden. Deze bevinding komt overeen met de theoretische verwachtingen en is dus geruststellend voor kosmologen. Kosmische versnelling was een verrassing en een nieuwe puzzel om op te lossen, maar het is niet zo verrassend dat het ons opnieuw doet nadenken over veel van wat we dachten te begrijpen over het heelal.

Our Cosmic Destiny
THE ANCIENT SUPERNOVAE heeft ook nieuwe aanwijzingen opgeleverd over donkere energie, de onderliggende oorzaak van de kosmische versnelling. De belangrijkste kandidaat om de effecten van donkere energie te verklaren is vacuümenergie, die mathematisch equivalent is aan de kosmologische constante die Einstein in 1917 uitvond. Omdat Einstein dacht dat hij een statisch heelal moest modelleren, introduceerde hij zijn “kosmologische fudge factor” om de aantrekkende zwaartekracht van materie in evenwicht te brengen. In dit recept was de dichtheid van de constante de helft van die van materie. Maar om de waargenomen versnelling van het heelal te produceren, zou de dichtheid van de constante tweemaal die van materie moeten zijn. Waar zou deze energiedichtheid vandaan kunnen komen? Het onzekerheidsprincipe van de kwantummechanica vereist dat het vacuüm gevuld is met deeltjes die leven op geleende tijd en energie, die in en uit het bestaan springen. Maar wanneer theoretici de energiedichtheid van het kwantum vacuüm proberen te berekenen, komen zij met waarden die minstens 55 orden van grootte te groot zijn. Als de energiedichtheid van het vacuüm werkelijk zo hoog zou zijn, zou alle materie in het heelal op slag uit elkaar vliegen en zouden sterrenstelsels nooit zijn ontstaan.

Deze discrepantie wordt wel de grootste schande in de hele theoretische natuurkunde genoemd, maar zij zou wel eens het teken kunnen zijn van een grote kans. Hoewel het mogelijk is dat nieuwe pogingen om de vacuümenergiedichtheid te schatten precies de juiste hoeveelheid opleveren om de kosmische versnelling te verklaren, geloven veel theoretici dat een correcte berekening, waarin een nieuw symmetrieprincipe is opgenomen, tot de conclusie zal leiden dat de energie die met het kwantumvacuüm samenhangt, nul is. (Zelfs kwantum-niets weegt niets!) Als dit waar is, moet iets anders de versnelde uitdijing van het heelal veroorzaken.

Theoretici hebben een verscheidenheid aan ideeën voorgesteld, variërend van de invloed van extra, verborgen dimensies tot de energie die samenhangt met een nieuw veld van de natuur, dat soms kwintessens wordt genoemd. In het algemeen stellen deze hypothesen een dichtheid van donkere energie voor die niet constant is en die gewoonlijk afneemt naarmate het heelal uitdijt. (Maar de suggestie dat de dichtheid van donkere energie in feite toeneemt naarmate het heelal uitdijt, is ook naar voren gebracht). Het meest radicale idee is misschien wel dat er helemaal geen donkere energie is, maar dat Einsteins zwaartekrachtstheorie moet worden aangepast.

Omdat de manier waarop de donkere-energiedichtheid varieert afhankelijk is van het theoretische model, voorspelt elke theorie een ander tijdstip voor het overgangspunt waarop de uitdijing van het heelal overging van vertraging naar versnelling. Als de dichtheid van donkere energie afneemt naarmate het heelal uitdijt, dan vindt het overgangspunt eerder in de tijd plaats dan in een model dat uitgaat van een constante dichtheid van donkere energie. Zelfs theoretische modellen waarin de zwaartekracht wordt gewijzigd, leiden tot een waarneembare signatuur in het omschakeltijdstip. De laatste supernova resultaten zijn consistent met theorieën die uitgaan van een constante dichtheid van donkere energie, maar ze zijn het ook eens met de meeste modellen die uitgaan van een variërende dichtheid van donkere energie. Alleen theorieën die uitgaan van grote variaties in de dichtheid van donkere energie zijn uitgesloten.

Om het scala aan theoretische mogelijkheden te verkleinen, gaat de Hubble-ruimtetelescoop door met het verzamelen van gegevens over supernova’s die de details van de overgangsfase zouden kunnen vastleggen. Hoewel de ruimtetelescoop het enige middel blijft om de vroege geschiedenis van de kosmische uitdijing te onderzoeken, proberen meer dan een half dozijn programma’s op de grond de nauwkeurigheid van de meting van de recente kosmische versnelling voldoende te verbeteren om de fysica van donkere energie te onthullen. Het meest ambitieuze project is de Joint Dark Energy Mission (JDEM), voorgesteld door het Amerikaanse Ministerie van Energie en de NASA. JDEM is een twee meter grote ruimtetelescoop die duizenden supernova’s van type Ia moet ontdekken en nauwkeurig meten. Supernova-jagers hopen dat JDEM in het begin van het volgende decennium wordt gelanceerd; tot die tijd zijn ze aangewezen op de Hubble-telescoop om de verste sterexplosies waar te nemen.

Oplossen van het mysterie van de kosmische versnelling zal het lot van ons heelal onthullen. Als de dichtheid van de donkere energie constant is of toeneemt met de tijd, zullen over ongeveer 100 miljard jaar alle sterrenstelsels, op een paar honderd na, veel te roodverschoven zijn om nog te kunnen worden waargenomen. Maar als de dichtheid van donkere energie afneemt en materie weer de overhand krijgt, zal onze kosmische horizon groter worden en meer van het heelal zichtbaar worden. Nog extremere (en dodelijkere) toekomsten zijn mogelijk. Als de dichtheid van donkere energie toeneemt in plaats van afneemt, zal het heelal uiteindelijk een “hypersnelheidsup” ondergaan die sterrenstelsels, zonnestelsels, planeten en atoomkernen uit elkaar zou scheuren, in die volgorde. Of het heelal zou zelfs opnieuw kunnen instorten als de dichtheid van de donkere energie tot een negatieve waarde daalt. De enige manier om onze kosmische toekomst te voorspellen is de aard van de donkere energie te achterhalen.