Het heelal is zoek (of we begrijpen het niet)

Over het heelal is één ding met zekerheid bekend: het bestaat voornamelijk uit raadsels. Er moet bijvoorbeeld veel meer materie zijn dan de standaardtheorie voorspelt, maar niemand weet uit wat voor deeltjes die bestaat. Kosmologen slaan elkaar om de oren met nieuwe theorieën.

door

Het rommelt in de kosmos. Of liever gezegd: in de kosmologie. Naar buiten toe doen sterrenkundigen alsof ze het allemaal roerend eens zijn over de samenstelling van het heelal. Maar in hun eigen gelederen is er steeds meer twijfel, en hier en daar wordt driftig gezaagd aan de poten van het ‘concordantiemodel’. Want een kosmos die voor 96 procent uit raadsels bestaat, dat gaat veel wetenschappers net wat te ver.

Het klinkt allemaal zo mooi: het heelal is 13,7 miljard jaar oud; het bestaat voor 73 procent uit energie en voor 27 procent uit materie, en het zal in de toekomst steeds sneller uitdijen. Dat is sinds een paar jaar de catechismus van de kosmoloog. Elke nieuwe meting en waarneming lijkt dat standaardbeeld te bevestigen, en dan krijg je als buitenstaander al snel het idee dat de sterrenkunde er wel zo’n beetje uit is.

Supernova-explosie (linksonder) in een sterrenstelsel op 40 miljoen lichtjaar afstand.

Maar in feite zijn er voornamelijk vraagtekens. Bijna alle materie is onzichtbaar, het overgrote deel moet uit onbekende elementaire deeltjes bestaan, en niemand kent de ware aard van de donkere energie. Het is vooral die donkere energie die veel sterrenkundigen zorgen baart. ‘Ik had van meet af aan al twijfels,’ zegt kosmoloog Vincent Icke van de Leidse Sterrewacht, ‘en mijn skepsis is in de loop van de tijd alleen maar toegenomen.’

Aan het bestaan van sterrenstelsels, nevels, sterren en planeten twijfelt niemand. Maar er is meer dan wij kunnen zien. De oerknaltheorie voorspelt ruwweg hoeveel atoomkernen het heelal bevat, en de zichtbare materie vormt daar hooguit een kwart van. Dus driekwart van de gewone materie in het heelal is donker – wij zien alleen het topje van de ijsberg.

Niks mis mee natuurlijk – niemand verwacht dat alle materie in het heelal straling produceert. Het grootste deel van die onzichtbare atoomkernen bevindt zich waarschijnlijk in buitengewoon ijle slierten van gas, die een soort spinrag vormen in de ‘lege’ ruimte tussen de sterrenstelsels. Aanwijzingen voor het bestaan van dat intergalactisch spinrag zijn vorig jaar gevonden door NASA’s röntgensatelliet Chandra.

Maar zwaartekrachtmetingen wijzen keer op keer uit dat de hoeveelheid donkere materie in het heelal veel en veel groter moet zijn. Meet de draaisnelheid van sterrenstelsels, of de bewegingen van sterrenstelsels in clusters, en je komt uit op ruwweg zeven keer zoveel materie als wat de oerknaltheorie voorspelt. Al die extra materie kan dus nooit uit gewone atomen bestaan.

Aan het bestaan van deze ‘vreemde’ donkere materie is ‘geen twijfel mogelijk,’ zegt Icke, maar om wat voor deeltjes het gaat is onduidelijk. Ze moeten wel massa hebben, maar nauwelijks wisselwerking met gewone deeltjes vertonen, anders waren ze al lang ontdekt. Zoekacties naar deze hypothetische deeltjes (met fraaie namen als neutralino’s en axionen) zijn in volle gang, maar er is nog nooit iets gevonden.

Bandwagon

Tot overmaat van ramp werd zeven jaar geleden ontdekt dat de uitdijing van het heelal aan het versnellen is (zie kader), en dat valt alleen te verklaren door een mysterieuze donkere vacuümenergie, die nog eens driemaal zoveel heelal-inhoud vertegenwoordigt als alle materie bij elkaar. Ziedaar het moderne beeld van de kosmos: in zekere zin een keizer zonder kleren, zonder paleis en zonder land.

Dat iedereen het ondanks al die witte plekken zo stellig met elkaar eens is, is volgens Icke een veeg teken. ‘Het bandwagon-effect is beangstigend,’ zegt hij. ‘Concordantie in de wetenschap is natuurlijk de dood in de pot.’ Het kan er bijvoorbeeld toe leiden dat je nieuwe meetresultaten niet meer objectief genoeg bekijkt, en ze vooral in overeenstemming wilt brengen met de heersende opvattingen.

Moet de hele oerknaltheorie dan maar op de helling? Dat gaat de meeste kosmologen te ver, hoewel er de afgelopen decennia tientallen serieuze en minder serieuze alternatieven zijn bedacht, zowel door vakastronomen als door gedreven amateur-theoretici. Maar dat driekwart van het heelal uit raadselachtige donkere energie zou bestaan, voelt op de een of andere manier ook niet goed.

Volgens kosmoloog Sysky Räsänen van Oxford University valt het met het conservatisme van zijn collega’s wel mee. ‘In het algemeen staat men zeer open voor nieuwe ideeën,’ zegt hij. Maar die moeten dan wel hout snijden, en niet met overdadig tromgeroffel gepresenteerd worden. ‘Als je een halfbakken theorie lanceert en in een persbericht rondbazuint dat je de crisis in de kosmologie hebt opgelost – ja, dan kun je kritiek verwachten.’

Dat overkwam de gerenommeerde deeltjesfysicus Edward Kolb van Fermilab in Chicago de afgelopen weken. Samen met Italiaanse collega’s publiceerde hij half maart een nieuwe heelal-theorie op internet. Daarin zou de versnellende uitdijing niet veroorzaakt worden door donkere energie, maar door gigantische ‘rimpels’ in de ruimte-tijd die zich uitstrekken tot ver buiten het waarneembare heelal.

Hoewel dat al eens eerder was geopperd, werd het idee van Kolb met veel tamtam en bombarie de wereld in geholpen, zelfs nog voordat het artikel aan referenten was voorgelegd en voor publicatie was geaccepteerd. Dat zette volgens Räsänen kwaad bloed. Verschillende vakbroeders, waaronder Räsänen zelf, hebben inmiddels gaten geschoten in het Kolb-model, en het lijkt dan ook onwaarschijnlijk dat het in de huidige vorm de vakpers gaat halen.

Open Bubble

Geen wonder dat David Wiltshire van de Universiteit van Canterbury in Christchurch (Nieuw-Zeeland) wat voorzichtiger te werk gaat. Ook hij had snel door wat er mis was met de theorie van Kolb, maar Wiltshire werd wel op een idee gebracht. Samen met zijn collega’s werkt hij nu aan een variant (het ‘Open Bubble Model’), waarin niet alleen wordt afgerekend met donkere energie, maar ook met de ‘vreemde’ donkere materie. Volgens Wiltshires model is er ook helemaal geen sprake van een versnellende uitdijing.

Veel wil de Nieuw-Zeelander er nog niet over kwijt. Hoewel er een zeer technische verhandeling op internet staat, heeft hij besloten geen interviews te geven totdat het artikel geaccepteerd is voor publicatie in Physical Review Letters. Maar, laat Wiltshire via e-mail weten, ‘als ik gelijk heb, en daar begin ik steeds meer van overtuigd te raken, is dit natuurlijk groot nieuws.’

Räsänen denkt daar overigens heel anders over. ‘Wiltshire heeft het ook bij het verkeerde eind,’ zegt hij; ‘je kunt het eigenlijk geen serieus voorstel noemen.’ Toch blijft ook hij zijn twijfels houden over het bestaan van donkere energie. ‘Om het probleem op te lossen heb je aan een nieuwe theorie waarschijnlijk niet genoeg,’ zegt hij. ‘Er zijn ook veel nauwkeuriger waarnemingen nodig.’

En die komen er hopelijk snel aan. De ontdekkers van de versnellende uitdijing van het heelal hebben een satelliet in voorbereiding die veel preciezere metingen kan doen dan een telescoop op de grond. Op basis van die metingen moet het mogelijk zijn om het bestaan van donkere energie te bevestigen of te weerleggen.

Smart

Het is zelfs niet uitgesloten dat de benodigde informatie al binnen in. Kosmologen wachten al ruim een jaar met smart op een gedetailleerde analyse van de metingen van WMAP – een satelliet die de straling van de oerknal heeft opgemeten. Het WMAP-team blijft de publicatie maar uitstellen, vertelt Icke, en ze houden hun lippen stijf op elkaar. ‘Dat riekt naar problemen.’

Misschien blijken de WMAP-gegevens toch niet zo mooi in overeenstemming te zijn met het concordantiemodel, en staat de volgende revolutie in de kosmologie voor de deur. Of misschien weet Wiltshire straks zijn critici toch te overtuigen, en gaan we verder zonder donkere energie en zonder donkere materie. Of héél misschien zit er toch een kern van waarheid in een van de talloze oerknal-alternatieven die af en toe de kop opsteken.

Hoe het ook zij, dat kosmologen soms de indruk wekken dat alle problemen zijn opgelost terwijl 96 procent van het heelal zoek is (en al heel lang zoek blijft) is ronduit gênant te noemen. Icke hoopt dat er aan die situatie in 2007 een einde komt, met de lancering van de Europese Planck-kunstmaan, die de polarisatie van de oerknalstraling gaat onderzoeken. ‘Als dat lukt, moet het varkentje binnen een paar jaar linksom of rechtsom gewassen zijn.’

De energie van het vacuüm duwt alles uit elkaar. De ontdekking van de versnellende uitdijing van het heelal werd door het Amerikaanse weeblad Science uitgeroepen tot grootste wetenschappelijke doorbraak van 1998. Twee teams van astronomen hadden metingen verricht aan supernova’s in ver verwijderde sterrenstelsels. Die exploderende sterren bleken systematisch wat zwakker te zijn dan je zou verwachten. Dat komt volgens de onderzoekers doordat de uitdijingssnelheid van het heelal een paar miljard jaar geleden begon toe te nemen. De oorzaak van die versnellende uitdijing wordt gezocht in een mysterieuze vacuümenergie die als een soort anti-zwaartekracht werkt. Veel theoretici hebben moeite met die verklaring: sommige natuurkundetheorieën voorspellen wel zo’n vacuümenergie, maar dan onvoorstelbaar veel groter. Ook lijkt het verdacht dat de donkere energie toevallig nét merkbaar begint te worden op het moment dat de mens op het toneel verschijnt. Precisiemetingen aan veel meer supernova’s, op grotere afstanden in het heelal, maakt hopelijk duidelijk of er echt sprake is van een versnellende uitdijing, en zo ja, waar die dan door veroorzaakt wordt. Met de SNAP-satelliet (Super-Nova Acceleration Probe) moet dat gaan lukken. SNAP zou in 2010 gelanceerd kunnen worden, maar het is nog onzeker of het project wel doorgaat.

Dit artikel is eerder verschenen in de Volkskrant

Zie ook: