Je leest:

Hoe snel rijst het deeg van de ruimtetijd?

Hoe snel rijst het deeg van de ruimtetijd?

Onenigheid over de snelheid van de expansie van de kosmos

Auteur: | 15 juli 2019

Op aarde is het meten van afstanden makkelijk, maar daarbuiten is het lastiger. Astronomen gebruiken verschillende methodes om afstanden en de uitdijing van het heelal te bepalen, en die spreken elkaar soms tegen. Hoe groot is het universum eigenlijk, en welke peilstokken gebruiken we?

Het heelal is geen statische sterrenzee, maar een ruimte die voortdurend in beweging is. Metingen aan het begin van de twintigste eeuw laten zien dat het heelal steeds groter wordt. Er komt steeds meer ruimte bij. Sinds 1998 weten we ook dat dit proces steeds sneller gaat. Sterrenstelsels bewegen dus met steeds grotere snelheid van elkaar weg.

De uitdijing van het heelal uitgebeeld. Het heelal begint met de oerknal (beneden), een situatie waarbij alle materie zeer dicht op elkaar zit. Naarmate de tijd verloopt (omhoog) ontstaan er sterrenstelsels die zich ook steeds verder uit elkaar bevinden. Er komt ruimte bij tussen de sterrenstelsels.

De vraag wat die uitdijing veroorzaakt laten we nu grotendeels buiten beschouwing. Om te beginnen zijn astronomen het er nog niet eens over eens hoe snel die uitdijing nu precies gaat. Komt er per megaparsec (een veelgebruikte wetenschappelijke afstandsmaat) nu 63 of zo’n 73 kilometer per seconde bij? Deze waarden volgen uit respectievelijk metingen aan de kosmische achtergrondstraling (de nagloed van de oerknal) en uit de afstanden en snelheden van verre sterrenstelsels. Al jaren komen astronomen hier niet uit.

Nobelprijswinnend astronoom Adam Riess van de Amerikaanse Johns Hopkins University kwam dit voorjaar met nieuwe precisiemetingen van de afstanden tot de sterrenstelsels om ons heen die dit dispuut nogmaals illustreren. Afhankelijk van de bril die we gebruiken zien we twee verschillende geschiedenissen van het heelal. Natuurlijk is er maar een de juiste. Hoe werken die afstands- en snelheidsbepalingen eigenlijk? NEMO Kennislink duikt in het duizelingwekkend diepe heelal.

Meetlatten in het universum

Om te begrijpen hoe Riess en collega’s tot hun waarde kwamen is een lesje landmeten in de kosmos nodig. Afstanden bepalen in het universum is lastig. Licht dat we met telescopen zien van verre plekken vertelt op zichzelf niets over de afstand die het heeft afgelegd. Astronomen maken daarom gebruik van een ingenieus bouwwerk van afstandsbepalingen die elkaar aanvullen, en uiteindelijk tot de verste uithoeken van het heelal reiken. Dit wordt ook wel de kosmische afstandsladder genoemd.

We beginnen relatief dicht bij huis, met een truc die astronomen een parallaxmeting noemen. Daarbij maken ze gebruik van het feit dat sterren lijken te ‘verspringen’ tegen de achtergrond van het heelal. Dat komt doordat de aarde in de loop van een jaar een flinke baan rondom de zon trekt. Na een half jaar staat de aarde precies aan de andere kant van de zon, zo’n 300 miljoen kilometer verderop. Dit veranderlijke oogpunt laat de sterren verspringen, afhankelijk van hun afstand tot de aarde. Hoe verder weg een ster staat, des te kleiner is de verspringing. Op deze manier pluist de Europese Gaia-satelliet momenteel de afstanden van zo’n miljard sterren in de Melkweg uit.

De parallax van een pen. Parallax is het verschijnsel dat objecten die dichtbij staan lijken te ‘verspringen’ ten opzichte van de achtergrond wanneer er vanuit een ander oogpunt naar wordt gekeken. Hoe dichterbij het object, des te groter is dit effect. Dit kun je zelf makkelijk testen door om beurten met je linker- of rechteroog naar een opgestoken vinger of pen te kijken.
Roel van der Heijden voor NEMO Kennislink

De parallaxmethode is redelijk precies tot ruwweg een paar honderd lichtjaar, en nog meetbaar tot op pakweg 50.000 lichtjaar. Ter vergelijking: de dichtstbijzijnde ster tot de zon staat op vier lichtjaar en de diameter van de Melkweg is zo’n 100.000 lichtjaar. Daarna zijn de verspringingen zó klein dat zelfs een absurd precies instrument zoals Gaia niet meer in staat is het waar te nemen.

RS Puppis is een zogenoemde Cepheïde, een ster waarvan de helderheid met vaste periodes verandert. De ster staat op een afstand van zo’n 6000 lichtjaar en heeft een periode van 41,5 dagen.

Willen astronomen verder meten, dan maken ze dankbaar gebruik van een bepaald soort sterren die ruim honderd jaar geleden werden ontdekt: Cepheïden. De astronoom Henrietta Leavitt ontdekte in 1908 dat Cepheïden niet alleen in een zeer voorspelbaar ritme helderder worden, maar dat de helderheid van zo’n ster ook afhangt van het ritme. Niet alle sterren schijnen namelijk even helder, sommige zijn veel minder sterk dan de zon. Anderen schijnen miljoenen keren feller.

Het ritme van de Cepheïden gaf astronomen opeens een handig gereedschap: houd zijn ster over een langere periode in de gaten en je weet wat zijn periode is (die ruwweg ligt tussen de een en vijftig dagen). Daaruit volgt via de relatie die Leavitt ontdekte de helderheid van die ster. Vergelijk dat vervolgens met de schijnbare helderheid die de ster aan de hemel heeft en je weet de afstand. Een object dat twee keer zo ver weg is heeft nog maar een kwart van de lichtsterkte. Deze methode zit in het hart van de kosmische afstandsladder en werkt tot ongeveer twintig miljoen lichtjaar afstand. Binnen die afstand zijn de meest directe buursterrenstelsels van de Melkweg te vinden.

Rood in de verte

Toch is het universum veel groter. Het licht van sterrenstelsels aan de rand van het waarneembare universum heeft een afstand afgelegd van zeker tien miljard lichtjaar. De basis voor de methode die tot zo diep het universum in reikt werd onder andere gelegd door de man die ontdekte dát het universum een stuk groter was dan we dachten: de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble. In de jaren 20 concludeerde hij dat vlekjes die we aan de hemel konden zien geen nevels waren, maar extreem verre en complete melkwegstelsels met stuk voor stuk weer miljarden sterren.

De ontdekking van het uitdijende heelal wordt vaak aan de Amerikaan Edwin Hubble toegeschreven. Maar twee jaar eerder, in 1927, was ook de Belgische astronoom George Lemaître al onafhankelijk tot die conclusie gekomen.

De astronoom Vesto Slipher had toen al ontdekt dat de kleur van die sterrenstelsels een klein beetje richting het rood leek te zijn ‘opgeschoven’. Hubble ontdekte dat dit effect sterker was naarmate het sterrenstelsel verder weg was. Zijn conclusie was dat dit te maken had met de snelheid waarmee sterrenstelsels ten opzichte van ons door het universum bewegen. Bij een sterke beweging van ons af verkleurt het rood, vergelijkbaar met het geluidseffect van een ambulance dat naar beneden ‘afbuigt’ wanneer deze voorbijrijdt. Om de afstanden tot de 46 sterrenstelsels in zijn onderzoek te bepalen gebruikte Hubble overigens de bovengenoemde Cepheïden-methode.

De ontdekte afstandsrelatie met de roodverschuiving stelde astronomen in staat om afstanden te schatten tot bijna de rand van het zichtbare universum. Licht dat er meer dan tien miljard jaar over gedaan heeft om hier te komen.

Kosmische knallen

De roodverschuiving levert een mooie methode voor extreem verre afstanden, de laatste trede op de afstandsladder. Maar kunnen we erop vertrouwen? Wat als de roodverschuiving om een of andere reden op grote afstand níet doet wat astronomen verwachten? Dan ben je de afstanden in het universum systematisch verkeerd aan het berekenen. Daarom waren wetenschappers blij dat er in de jaren 90 een volledig nieuwe en onafhankelijke meetlat voor het verre heelal bij kwam.

Het is een van de meest gewelddadige gebeurtenissen die we kennen. Als een zware ster in de loop van miljoenen of miljarden jaren door zijn brandstof heen is stort hij in en ontploft in een kosmische knal die zijn weerga niet kent: een supernova. Een paar maanden lang kan deze feller schijnen dan de miljarden sterren in een sterrenstelsel bij elkaar.

Restant van een supernova, een exploderende ster, in de Grote Magelhaense Wolk.

Het mooie is dat een bepaald type supernova (type Ia) áltijd met dezelfde helderheid explodeert, als een setje van exact dezelfde vuurpijlen. En dat geeft astronomen – net als bij Cepheïden – de mogelijkheid om de schijnbare helderheid te vergelijken met de absolute helderheid, waaruit de afstand direct volgt. Ook zijn deze supernova’s door hun extreme helderheid tot op grote afstand waar te nemen. Afstanden tot pakweg acht miljard lichtjaar zijn naar verluidt met een geschatte nauwkeurigheid van zo’n tien procent te bepalen.

Grote Magelhaense Wolk

Tot zover de kosmische afstandsladder. Zoals gezegd kwam de astronoom Riess samen met collega’s enkele maanden geleden met metingen die de stappen in de kosmische afstandsladder nog wat preciezer afstellen. Het draait allemaal om de afstand tot de zogenoemde Grote Magelhaense Wolk, een klein sterrenstelsel dat om de Melkweg heen draait en in de afstandsladder een essentiële trede vormt.

Dit sterrenstelsel telt veel Cepheïden en stelt astronomen in staat om deze manier van afstanden meten nauwkeurig te testen. De exacte helderheid van Cepheïden wordt vervolgens gebruikt om de afstand tot andere sterrenstelsels te bepalen waarin ook de bovengenoemde supernova’s zijn waargenomen. Zo wordt de ene trede van de ladder aan de volgende trede gekoppeld.

De Grote (links) en Kleine Magelhaense Wolk (rechts) boven een observatorium in Chili.

Riess en collega’s gebruikten de Hubble-telescoop om de periode en helderheid van zeventig Cepheïden in het sterrenstelsel met een grotere precisie dan voorheen te bepalen. Dat deden ze op momenten dat Hubble bezig was om van richting te veranderen tussen verschillende opnames. Heel slim vindt Henny Lamers, emeritus hoogleraar astronomie van de Universiteit van Amsterdam. “Tijd is kostbaar bij het gebruik van deze telescopen en zo maakt Riess gebruik van de momenten dat de telescoop eigenlijk niet gebruikt wordt.”

De afstand tot de Grote Magelhaense Wolk blijkt zo’n 162.700 lichtjaar, een waarde die volgende de astronomen op basis van de door hun gebruikte methodes nog 1,2 procent kan afwijken. Dat komt overeen met onafhankelijk onderzoek die een relatief nieuwe methode gebruikt op basis van sterren die om elkaar heen draaien, zogenoemde detached eclipse binaries, duo’s van sterren die ver genoeg om elkaar heen draaien dat ze afzonderlijk gezien kunnen worden met de Hubble-telescoop.

Uitgelicht door de redactie

Biotechnologie
Tuberculosebacterie speelt verstoppertje door maagzuurremmer

Geesteswetenschappen
Hoe schadelijk is de lange schoolvakantie?

Taalwetenschap
Een nieuwe taal creëren tijdens Lowlands

Verschil tussen meetlatten

Wijzen alle meetlatten nu hetzelfde aan? Nee, nog steeds zitten astronomen – waaronder Riess – in hun maag met het feit dat het universum langzamer lijkt uit te dijen op basis van metingen aan de kosmische achtergrondstraling. Het verschil zou zo’n negen procent bedragen.

“Dat is een probleem”, zegt Lamers. “De uitdijing bepalen op basis van die achtergrondstraling is een vrij indirecte manier. Je kijkt naar helderheidsvariaties in die achtergrondstraling en bepaalt hoe groot die structuren aan de hemel zijn. Kennelijk klopt dat niet met de recente Hubble-waarnemingen.”

Riess doet in zijn artikel alvast de suggestie dat ons model van de oerknal en de snelle inflatie-periode daarna wellicht op de schop moet. Lamers heeft ook het vermoeden dat de discrepantie daar zou kunnen liggen. “Méér donkere energie zou dit probleem kunnen oplossen.” De kosmische meetlatten kloppen dan, maar de astronomen kunnen meteen aan de slag met het volgende probleem: wat is die donkere energie precies?

Bron

  • Riess A. et al., Large Magellanic Cloud Cepheid Standards Provide a 1% Foundation for the Determination of the Hubble Constant and Stronger Evidence for Physics beyond ΛCDM, The Astrophysical Journal (7 mei 2019), DOI:10.3847/1538-4357/ab1422
Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 juli 2019

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.