We leven in een vreemd heelal. Elk jaar wordt het groter; elk jaar neemt de afstand tussen de miljarden sterrenstelsels toe. Als krenten in rijzend deeg of als stippen op een opgeblazen ballon bewegen de stelsels uit elkaar. Gevoelige telescopen als de Hubble, het Keck-observatorium of de Very Large Telescope laten zelfs zien dat de uitdijing steeds sneller gaat.
Schematische weergave van het uitdijende heelal. Denk je de oppervlakte van deze bol in als ons complete heelal: de drie ruimte-dimensies, de tijdas en mogelijke opgerolde dimensies uit de stringtheorie passen er allemaal in. Blaas je de bol op, dan groeit de afstand tussen alle punten: vanuit ieder punt zie je alle andere punten van je afbewegen. Toch is er in het 2D-heelal geen middelpunt van de expansie aan te wijzen, net als in ons eigen heelal: er is geen oorsprong waar alles vandaan beweegt. De Oerknal, het begin van tijd en ruimte zo’n 15 miljard jaar terug, deed een eindeloos heelal ontstaan, met veel kleinere onderlinge afstanden dan we nu zien. De materie die nu in een bol van paar lichtjaar groot zit, paste toen in het volume van een knikker – of kleiner.
Tegen de aantrekkingskracht van alle materie in het heelal in blaast iets het heelal op. " Donkere energie", zeggen sterrenkundigen, en bedoelen daarmee: “invloed waarvan we de aard niet kennen.” Met het Standaard Model van de theoretische natuurkunde kun je de donkere energie in ieder geval niet verklaren. Hoe dan wel?
Er zijn verschillende soorten donkere energie te bedenken, die allemaal ongeveer hetzelfde gedrag opleveren. Zo zijn er voorstanders van een constante kracht uit het vacuüm (Einstein’s Kosmologische Constante) en van een langzaam veranderend krachtveld (Quintessence of vijfde element genoemd). Eric Linder (Lawrence Berkeley Laboratory) en Robert Caldwell (Dartmouth College) berekenden de precieze vingerafdruk van de donkere energieën. Met voldoende nauwkeurige metingen kunnen sterrenkundigen volgens de twee onderzoekers het speelveld verkleinen. Donkere energie opgehelderd?
Bewegend heelal
Einstein voerde al begin vorige eeuw een Kosmologische Constante in om het heelal tegen de zwaartekracht in overeind te houden. Toen bekend werd dat het heelal niet statisch was, zoals wetenschappers hadden gedacht, maar in de loop der tijd groter wordt, noemde Einstein de Kosmologische Constante “de grootste fout van mijn leven”. De Constante zou helemaal niet nodig zijn om zo’n uitdijend heelal te verklaren.
Moderne kosmologen zien toch heil in Einstein’s ‘blunder’. Geef de evenwichtsconstante namelijk een iets grotere waarde, en hij begint het heelal steeds sneller uit elkaar te duwen. De energie zou uit de lege ruimte komen, die volgens de kwantummechanica ziedt met ultrakort verschijnende en weer verdwijnende paren van deeltjes. Hun gekrioel heeft een afstotende werking op de ruimte zelf, die daardoor uit gaat dijen. Precies zoals de waarnemingen laten zien.
De verhouding tussen normale materie, donkere materie en donkere energie. De sterren, planeten, atomen en elektronen: al dat materiaal beslaat maar 4% van het heelal. De donkere materie oefent wel zwaartekracht uit (en houdt zo rondtollende sterrenstelsels bijeen), maar is niet zichtbaar. Of het nieuwe deeltjes zijn, of onzichtbare zwarte gaten, is nog niet duidelijk. Nog mysterieuzer is de 75% (!) donkere energie, die het heelal als een antizwaartekracht steeds sneller uiteen drijft.
Vijfde kracht
Nou ja, precies. Het is maar hoe nauwkeurig je meet, zeggen Caldwell en Linder. Wie goed kijkt, ziet wel degelijk verschillen tussen een heelal gevuld met quintessence-varianten of met de Kosmologische Constante. De constante verandert niet in de loop der tijd, maar de invloed van quintessence kan naar een maximum groeien en daar bevriezen, of vanuit een bevroren hoge waarde smelten en in kracht dalen.
De scenario’s zorgen voor een iets verschillende uitdijing en zijn dus meetbaar. Caldwell en Linder laten in hun paper zien hoe nauwkeurig het meetinstrument minstens moet zijn. Die aanbevelingen worden meegenomen in het ontwerp van de SuperNova Acceleration Probe (SNAP), een satelliet die supernovae gaat gebruiken om de groei van het heelal in kaart te brengen. SNAP’s metingen kan over een paar jaar aangeven in welke hoe natuurkundigen de Donkere Energie moeten zoeken. En dan weten we eindelijk waar bijna driekwart van het heelal mee is gevuld – Einstein’s fortuinlijke fout of het al dan niet bevroren vijfde element.
Zie ook:
- The limits of Quintessence (PDF, Engels, technisch)
- Finding a way to test for Dark Energy (Engels)
- Quintessence dominates the universe (Engels)
- De duistere kant van het heelal
- Einstein may have been right after all (Engels)
- SNAP: SuperNova Acceleration Probe (Engels)
- Will the universe expand forever? (Engels)
- Donkere energie onder vuur (Kennislinkartikel)
- Twijfels over donkere energie? (Kennislinkartikel)