De Amerikaan Saul Perlmutter van het Lawrence Berkeley National Laboratory mag in december de Nobelprijs van de Natuurkunde ontvangen, samen met zijn landgenoot Adam Riess (Johns Hopkins University) en de Australiër Brian Schmidt (Australian National University). De drie bewezen eind jaren negentig dat het heelal niet vertraagd uitdijt, maar juist versneld. Dat was een complete verrassing, ook voor de laureaten zelf. “Het leek te vreemd om echt waar te zijn”, zo keek Schmidt telefonisch tijdens de bekendmaking hierop terug.
Vertraagde uitdijing meten
Dat het heelal uitdijt was ten tijde van hun ontdekking al bekend. De grootste aanwijzing daarvoor was door Edwin Hubble geleverd, in 1929. Hij keek naar de kleur van het licht dat verre sterrenstelsels uitzonden en concludeerde dat ze erg ‘rood’ waren. Dat betekende dat de sterrenstelsels zich van ons verwijderden. De heersende opvatting tot 1998 was dat deze uitdijing steeds langzamer moest gaan, vanwege de onderlinge zwaartekracht tussen sterrenstelsels die de boel naar elkaar toe trekt.
In 1988 zette Saul Perlmutter het Supernova Cosmology Project op om uit te rekenen hoe snel de vertraging van de uitdijing zou gaan. In 1994 kreeg Perlmutter concurrentie van het High-Z Supernova Search Team, onder leiding van Brian Schmidt (Adam Riess maakte ook deel uit van dit team).
Beide groepen keken naar supernova’s van het type Ia. Dit zijn explosies van extreem kleine, oude sterren, zogenaamde witte dwergen. Uit de helderheid van deze explosies konden de astronomen uitrekenen hoe ver de ster weg stond.
Probleem was dat zulke supernova’s schaars zijn. In een enkel sterrenstelsel komt zo’n explosie maar één of twee keer per duizend jaar voor. Ze moesten daarom duizenden sterrenstelsels in de gaten houden: het kwam neer op het vergelijken van talloze afbeeldingen, op zoek naar dat ene pixeltje dat een supernova kon voorstellen. Uiteindelijk kwamen beide groepen in 1998 naar buiten met hetzelfde resultaat: de helderheid van zeer verre supernova’s was meer afgenomen dan verwacht, wat aanleiding gaf tot de conclusie dat het heelal versneld moet uitdijen.
Einsteins ‘grootste blunder’
Uit Einsteins relativiteitstheorie volgt dat ons heelal moet krimpen of uitzetten. Maar volgens Einstein was het heelal statisch. Daarom voegde hij een constante aan zijn vergelijkingen toe die een eventueel effect van krimpen of uitzetten kon tegengaan. Deze kosmologische constante zag Einstein als een eigenschap van de ruimte, een soort energie die over het heelal verdeeld was. Later (onder andere door Hubble) bleek dat het heelal wel degelijk uitdijt en dus niet statisch is. Einsteins constante kon dus in de prullenbak en hij zou het later zijn ‘grootste blunder’ uit zijn carrière noemen. Maar sinds we (dankzij de drie Nobelprijswinnaars) weten dat het heelal versnelt uitdijt, ligt Einsteins constante toch weer op tafel. Net als hoe Einstein het oorspronkelijk bedacht, staat de constante voor een uniform verdeelde energie die tegen de zwaartekracht in werkt. Alleen overtreft het nu de zwaartekracht zodanig dat het heelal er steeds sneller door uitzet.
Donkere energie
De ontdekking sloeg in als een bom. Het betekende namelijk dat een onbekende kracht het heelal uit elkaar moest trekken. Vergelijk het met het omhoog gooien van een bal. Je verwacht dat deze weer op de grond valt, omdat de zwaartekracht aan de bal trekt. Maar stel dat de zwaartekracht niet hard genoeg trekt en de bal juist steeds sneller omhoog stijgt. Dat is wat er in het heelal aan de hand is: de zwaartekracht wordt overtroefd door iets veel sterkers.
De verklaring van kosmologen is een donkere energie, een onzichtbare substantie die de materie in het heelal uit elkaar trekt. Uit metingen aan kosmische achtergrondstraling is inmiddels bevestigd dat er zoiets als donkere energie bestaat. Maar niemand weet wat het precies is of waardoor het wordt veroorzaakt. Wel weten we dat het ongeveer driekwart van de energie en materie in ons heelal inneemt. Het simpelste idee voor donkere energie is een kosmologische constante, ooit bedacht door Albert Einstein (zie kader). Er zijn echter tal van andere, nog veel ingewikkeldere theorieën die de donkere energie proberen te verklaren.
Momenteel werken kosmologen aan nieuwe experimenten om antwoord te vinden op de vele vragen rondom donkere energie. En dan is er ook nog de donkere materie, een ander groot raadsel in onze kosmos. Ook donkere materie is onzichtbaar, net als donkere energie. Bij elkaar vullen ze 95 procent van het universum. Zo kun je stellen dat de winnaars van de Nobelprijs voor de Natuurkunde hebben meegeholpen aan het blootleggen van een heelal dat vrijwel geheel onzichtbaar is voor de wetenschap.
De winnaars in het kort:
Wikimedia Commons
Saul Perlmutter
De helft van de Nobelprijs is voor Saul Perlmutter (op de foto links). Hij werd in 1959 geboren in het Amerikaanse Champaign-Urbana. Hij studeerde en promoveerde aan de Universiteit van Californië in Berkeley. Hij zette het Supernova Cosmology Project op dat het supernova-onderzoek deed waarvoor hij nu de Nobelprijs krijgt. Hij leidt het project nog steeds en is tevens hoogleraar astrofysica aan de universiteit waar hij studeerde.
Adam Riess
Adam Riess (midden op de foto) werd in 1969 geboren in Washington DC. Hij deed promotieonderzoek aan Harvard University (VS) en is momenteel als hoogleraar werkzaam aan Johns Hopkins University en het Space Telescope Science Insitute. Hij speelde een belangrijke rol in het High-Z Supernova Team dat het supernova-onderzoek deed dat nu beloond wordt met de Nobelprijs. Hij deelt de andere helft van de Nobelprijs met Brian Schmidt.
Brian Schmidt
Brian Schmidt (op de foto rechts) heeft de Amerikaanse en Australische nationaliteit. Hij werd geboren in 1967 in Missoula (VS) en promoveerde in 1993 aan Harvard University (VS). Hij is momenteel bijzonder hoogleraar aan de Australian National University in Australië. Schmidt leidde het High-Z Supernova Team dat het bekroonde supernova-onderzoek deed.