De toekomst van ons heelal wordt bepaald door één simpel getalletje, dat de dichtheidsparameter wordt genoemd. Als deze dichtheidsparameter (meestal aangeduid met de Griekse letter Omega) niet groter is dan 1, zal het heelal tot in het oneindige opzwellen. Is Omega daarentegen groter dan 1, dan zal de uitdijing ooit stoppen en omkeren.

Om erachter te komen hoe het ons heelal in de toekomst zal vergaan, kan men gebruik maken van gegevens uit het verleden. Als uit waarnemingen blijkt dat het heelal vroeger veel sneller uitdijde dan nu, is dat een aanwijzing voor een sterke afremming. In dat geval bevat ons heelal genoeg materie om de uitdijing, die is begonnen met de oerknal, tot staan te brengen.

Maar als de waarnemingen aangeven dat de uitdijing de afgelopen miljarden jaren nauwelijks is vertraagd, zal het heelal tot in het oneindige groter en leger worden.

Sterrenkundigen hebben de natuur mee. Met hun telescopen kunnen ze niet alleen ver het heelal in kijken, maar door de eindige lichtsnelheid kijken ze tegelijkertijd ook terug in het verleden. Een sterrenstelsel dat, laten we zeggen, 7 miljard lichtjaar van ons verwijderd is, zien we zoals het 7 miljard jaar geleden was. Het licht van zulke verre objecten is, door de grote afstand, niet alleen erg zwak, maar ook van kleur veranderd. Door de uitdij-ing van het heelal zijn de lichtgolven als het ware opgerekt, waardoor hun golflengte is toegenomen. Dit verschijnsel wordt de kosmologische roodverschuiving genoemd.

Wat is nu precies het verband tussen de roodverschuiving en de afstand van een object? Dat is een kwestie die de sterrenkundige gemoederen al decennia lang bezighoudt. Men weet dat een grotere roodverschuiving overeenkomt met een grotere afstand: het licht is verder opgerekt en heeft er dus langer over gedaan om ons te bereiken. Maar met welke factor moet je de roodverschuiving vermenigvuldigen om de juiste afstand te vinden? En is deze factor, de zogeheten Hubble-constante, in de loop der tijden veranderd?

Standaardkaarsen

Om deze vragen te kunnen beantwoorden, zouden sterrenkundigen graag over een klasse van hemelobjecten beschikken die een bekende helderheid hebben. Door te meten hoe zwak of hoe helder het licht van zo’n ‘standaardkaars’ is zoals we dat vanaf de aarde waarnemen, kan eenvoudig worden bepaald hoe ver deze van ons verwijderd is.

Opnieuw schiet Moeder Natuur te hulp. Want er blijkt inderdaad zo’n klasse van objecten te bestaan. Supernovae van type Ia (zie kader) blijken namelijk een tamelijk voorspelbaar helderheidsverloop te hebben. Door het zwakke schijnsel van een verre supernova van dit type te vergelijken met dat van nabijere soortgenoten op bekende afstanden, kan men – onafhankelijk van de roodverschuiving en de Hubble-constante – bepalen hoe ver deze van ons verwijderd is.

Supernovae als standaardkaarsen

Supernovae van type Ia beginnen hun loopbaan als witte dwergsterren die materie van een naburige begeleider-ster opslokken. Op een gegeven moment bereiken ze een kritische massa, waarbij het koolstof in de kern van de witte dwerg begint te fuseren tot zwaardere elementen – iets waartoe de dwergster tot op dat moment niet in staat was. Door de (gedegenereerde) toestand van de materie in de witte dwerg verlopen de fusiereacties razend snel. Zó snel zelfs, dat de ster ontploft.

De helderheden die bij zo’n supernova-explosie worden bereikt zijn steeds van dezelfde orde. Dat ligt ook voor de hand, want het gaat steeds om dezelfde objecten (witte dwergen die uit gedegenereerde koolstof en zuurstof bestaan) en dezelfde kritische massa. De maximale helderheid die een normale supernova van type Ia bereikt, wijkt zelden meer dan een procent of vijftien af van de gemiddelde waarde.

Hierdoor kan de afstand van zo’n supernova aan de hand van zijn maximale helderheid dus ook tot op vijftien procent nauwkeurig worden bepaald. Als men ook rekening houdt met andere kenmerken van deze supernovae, zoals hun kleur en de snelheid waarmee hun helderheid na de explosie afneemt, dan neemt de onzekerheid in de afstand zelfs af tot een procent of tien.

Het nadeel van deze methode is dat sterren natuurlijk niet op commando ontploffen en dat je de hemel voortdurend moet afspeuren naar supernovae, die bovendien maar gedurende betrekkelijk korte tijd zichtbaar zijn. Om zoveel mogelijk supernovae te kunnen opsporen, is in de Verenigde Staten het Supernovae Cosmology Project’ opgezet. Bij dit project wordt zo efficiënt mogelijk gebruik gemaakt van de schaarse waarneemtijd op grote sterrenwachten en met de Hubble-ruimtetelescoop.

‘We moeten steeds snel handelen,’ aldus Greg Alderling, die deel uitmaakt van het projectteam. ’Terwijl het ene teamlid verre sterrenstelsels waarneemt met de grote telescopen in de Chileense Andes, zijn anderen in Berkeley bezig om de verzamelde gegevens via het Internet op te halen en onmiddellijk op de aanwezigheid van supernovae te onderzoeken.

Als we dan een supernova-kandidaat vinden, spoeden we ons naar de Keck-telescoop op Hawaï – de grootste ter wereld – om te bevestigen dat het om een supernova gaat en de roodverschuiving ervan te bepalen.’ In voorkomende gevallen wordt ook de hulp van de ruimtetelescoop ingeschakeld, omdat de verste supernovae te ver verwijderd zijn om ze vanaf de vaste grond nauwkeurig te kunnen waarnemen.

Tot dusver zijn bij het Supernova Cosmology Project ongeveer 65 supernovae van type Ia in verre sterrenstelsels waargenomen. De meest recente zijn waargenomen tussen kerst en oudjaar 1997, en vier daarvan werden begin januari van dit jaar met de Hubble-telescoop bestudeerd. Enkele van de explosies hebben plaatsgevonden in sterrenstelsels op afstanden van ruim 7 miljard lichtjaar. Dat betekent dat dit kosmische vuurwerk heeft plaatsgevonden op een tijdstip dat het heelal nog maar half zo oud was als nu.

Na uitwerking van de waarnemingen aan deze verre supernovae is gebleken dat het uitdijingstempo van het heelal de afgelopen 7 miljard jaar nauwelijks is afgenomen. En de onderzoekers concluderen daaruit dat de dichtheidsparameter ergens tussen de 0,2 en 0,6 ligt.

Clusters bevestigen ‘leegheid’ heelal

Ook uit andere onderzoeken blijkt steeds vaker dat de materiedichtheid in het heelal betrekkelijk gering is. Een recent voorbeeld is het onderzoek van Neta Bahcall en haar collega’s Xiaohui Fan en Renyue Chen. Het drietal heeft ver in het heelal een aantal zware clusters van sterrenstelsels opgespoord en leidt daaruit af dat de dichtheidsparameter niet veel groter kan zijn dan 0,2.

Net als alle structuren die we in het huidige heelal zien, zijn zulke vroege clusters ontstaan uit de minuscule dichtheidsfluctuaties in de hete oersoep die het heelal kort na de oerknal vulde. Hoe snel de fluctuaties uitgroeien tot clusters van sterrenstelsels hangt ervan af hoeveel groter hun dichtheid is dan de gemiddelde dichtheid van de materie op dat moment.

In een ‘licht’ heelal is zo’n ‘overdichtheid’ relatief snel bereikt: hier kunnen dus ook veel sneller sterrenstelsels ontstaan dan in een ‘zwaar’ heelal, waar de dichtheid gemiddeld toch al groot is. Een grote ‘overdichtheid’ verzamelt dus veel meer en veel sneller materie dan een kleine ‘overdichtheid’. Indien je op grote afstand van de aarde zware clusters van sterrenstelsels vindt, dan betekent dit dat er al vroeg in de geschiedenis van het heelal sprake was van grote ‘overdichtheden’. En in dat geval is er zeer waarschijnlijk sprake van een heelal dat een betrekkelijk lage gemiddelde dichtheid heeft.

Uit berekeningen blijkt dat in een heelal met precies de kritische dichtheid er vrijwel geen zware clusters te zien mogen zijn op roodverschuivingen van 1 en meer. Als de gemiddelde materiedichtheid lager is, kan het aantal clusters bij roodverschuiving 1 opopen met een factor duizend tot honderdduizend. Door te tellen hoeveel zware clusters je per volume-eenheid op grote afstand tegenkomt, en dit aantal te vergelijken met de aantallen in onze omgeving, kun je dus een bovengrens vaststellen voor de materiedichtheid in het heelal.

‘Als, zoals de meeste deeltjesfysici verwachten, de materiedichtheid gelijk is aan de kritische waarde, zouden we in wezen geen verre, zware clusters mogen vinden; als dat wel zo is, en dat is zo, moet de massadichtheid laag zijn,’ aldus Bahcall.

Bahcall en haar collega’s hebben een drietal zware clusters bij roodverschuivingen van 0,5 tot 0,9 (overeenkomend met afstanden van ongeveer zes tot negen miljard lichtjaar) waargenomen. Met behulp van gravitatielenswaarnemingen en de bewegingen van afzonderlijke sterrenstelsels in deze clusters zijn de totale massa’s van de groepen sterrenstelsels bepaald.

En uit alle metingen blijkt dat het drietal tot de zwaarste clusters behoort die tot nu toe waar dan ook in het heelal zijn waargenomen. In de drie clusters is 10^15 zonsmassa (het equivalent van tienduizend grote sterrenstelsels) samengepakt binnen een straal van vijf miljoen lichtjaar van het clustercentrum.

Het bestaan van deze drie zware clusters stelt volgens de drie onderzoekers al een bovengrens aan de gemiddelde massadichtheid van het heelal. Als de dichtheid van het heelal precies gelijk was aan de kritische dichtheid, zouden in het betreffende gebied statistisch gezien eigenlijk geen zware clusters mogen zitten. De verste cluster van het drietal begrenst de massadichtheid van het heelal tot niet meer dan twintig procent van de kritische waarde (Omega = 0,2).

Kosmologische constante

De aantrekkingskracht van alle materie in het heelal lijkt dus niet groot genoeg te zijn om de uitdijing te kunnen stoppen. En dat betekent dat het ons omringende heelal alleen maar groter en leger zal worden. Maar daarmee is het verhaal nog niet compleet.

Sterrenkundigen zitten namelijk een beetje met die lage materiedichtheid in hun maag. Om een aantal redenen, die met name verband houden met de zogeheten inflatietheorie, gaan veel kosmologen ervan uit dat het heelal ‘vlak’ is. Met andere woorden: om theoretische redenen geeft men de voorkeur aan een heelal waarin de dichtheidsparameter precies gelijk is aan 1.

Hoe krijg je het voor elkaar om Omega op te voeren tot 1, terwijl je weet dat er niet zo veel materie in het heelal zit? Sinds een aantal jaren denkt men ook hier een mouw aan te kunnen passen, en deze ‘mouw’ heet de kosmologische constante (meestal aangeduid met de Griekse hoofdletter lambda).

De kosmologische constante, een bedenksel van Albert Einstein, is een maat voor de energiedichtheid van de lege ruimte. Omdat zowel massa als energie de ruimte-tijd kunnen krommen, kan de kosmologische constante het ‘omega-gat’ helpen dichten.

Waar die ‘achtergrondenergie’ van de ruimte vandaan komt, is vooralsnog een raadsel – het zou iets te maken kunnen hebben met de ‘virtuele deeltjes’ die volgens de quantumtheorie voortdurend in de lege ruimte ontstaan en weer verdwijnen. Maar anderzijds is het ook weer niet de enige verklaring voor de ‘ontbrekende massa’ in het heelal. Zo bespraken fysici en kosmologen tijdens een workshop in het Amerikaanse Fermilab begin mei een aantal andere modellen, die de waarnemingen net zo goed of zelfs beter kunnen verklaren.

Als we er echter van uitgaan dat de kosmologische constante inderdaad bestaat, dan heeft dat twee consequenties. Op de eerste plaats werkt lamda als een afstotende kracht die de materie in het heelal uit elkaar probeert te duwen. En op de tweede plaats draagt hij bij aan de gemiddelde dichtheid van het heelal. Omega zou dus bestaan uit twee componenten: Omega-M en Omega-Lambda.

Het is al moeilijk genoeg om de massabijdrage aan omega te bepalen – je weet immers nooit zeker of je bij je metingen geen materie (bijv. in de vorm van exotische elementaire deeltjes) over het hoofd ziet. En de bijdrage van de kosmologische constante is nog veel ongrijpbaarder. Een van de manieren om erachter te komen of Lambda inderdaad groter is dan nul, is door te onderzoeken of de uitdijing van het heelal in het verre verleden anders is verlopen dan je zou verwachten in een heelal zonder kosmologische constante.

Ook hier bieden supernovae wellicht soelaas, want met behulp van de supernova-methode kan men in beginsel ver genoeg terug kijken in de tijd om eventuele veranderingen in de uitdijingssnelheid van het heelal te kunnen meten.

De resultaten die tot nu toe zijn bereikt, sluiten de kosmologische constante in elk geval niet uit, sterker nog: ‘Onze huidige gegevens wijzen erop dat de kosmologische constante niet nul is, al is er nog een ruime marge van onzekerheid,’ aldus Saul Perlmutter, die het Supernova Cosmology Project leidt.

‘Op dit moment hebben we supernovae tot roodverschuivingen van 0,85 en dat is goed genoeg om de bijdragen van lambda en de massa van elkaar te scheiden en op te tellen tot een Omega-totaal.’ De resultaten van een ander waarneemproject, de High-z Supernova Search, bevestigen de eerste conclusies van Perlmutter en de zijnen.

Versnelling

De kans bestaat dus dat we, ondanks een tekort aan materie, in een keurig vlak heelal leven. Zo’n heelal waarin de dichtheid wordt bepaald door de som van de massadichtheid en de kosmologische constante wordt door kosmologen een gemengd heelal genoemd. In een gemengd, vlak heelal is de som van de beide omega’s altijd gelijk aan 1.

Maar de beide componenten veranderen in de loop der miljarden jaren wél. In een jong heelal is de materiedichtheid groot, zodat de massacomponent van Omega overheerst.

Zo’n heelal dijt uit zoals je van een ‘gewoon’ heelal gewend bent: de uitdijingssnelheid neemt af. Maar vanaf een zeker moment is de materiedichtheid dermate afgenomen, dat de invloed van de kosmologische constante merkbaar wordt. De afstotende kracht wordt steeds belangrijker en krijgt op een zeker moment de overhand.

Opmerkelijk genoeg lijkt uit het recente onderzoek aan verre supernovae te volgen dat we een heel bijzondere periode in de geschiedenis van het heelal meemaken. Perlmutter: ’De uitdijing van het heelal zou ongeveer tot nu zijn vertraagd ten gevolge van de massadichtheid (hoe laag die ook is), en de kosmologische constante zou het rond deze tijd moeten overnemen, aangezien de materie in het uitdijende heelal sterk verdund is.

De versnelling zou nu dus ongeveer kunnen beginnen, maar deze zou nog niet de kans hebben gehad om lang door te werken. Het is dus erg moeilijk om te bepalen of de versnelling al begonnen is of nog op het punt staat te beginnen.’ Zijn collega Adam Riess van het High-z-team is stelliger: ‘We zien het heelal niet alleen niet afremmen: we zien het versnellen,’ aldus Riess in een recent nummer van Science.

De toekomst zal moeten uitwijzen of de huidige toestand van het heelal werkelijk zo bijzonder is – iets dat tot op heden door de meeste sterrenkundigen in twijfel wordt getrokken – of dat de onderzoekers iets over het hoofd hebben gezien waardoor het alleen maar lijkt dat de uitdijing van het heelal aan het versnellen is.

Als de voorlopige conclusies van Perlmutter en Riess juist zijn, zal de kosmologische constante ervoor zorgen dat de uitdijing van het heelal de komende miljarden jaren steeds maar sneller gaat. Ten slotte zal dan een toestand worden bereikt waarbij de afstanden tussen de (overblijfselen van) sterrenstelsels zó groot zijn geworden, dat het heelal vrijwel leeg lijkt. Een supergroot, leeg, koud heelal…een ontnuchterende gedachte.