Dit was begin jaren negentig. Het Carnegie Observatorium in Pasadena, Californië, is leeg voor de kerstvakantie. Wendy Friedman, alleen in de bibliotheek, werkte aan een enorm en netelig probleem: de snelheid waarmee het universum uitdijt. Carnegie was een vruchtbare voedingsbodem voor dit soort werk. Het was hier, in 1929, dat Edwin Hubble voor het eerst verre sterrenstelsels zag wegvliegen van de Melkweg, stuiterend in de buitenste stroom van zich uitbreidende ruimte. De snelheid van deze stroom werd bekend als de Hubble-constante.
Friedmans rustige werk werd al snel onderbroken toen collega-astronoom Allan Sandage, de wetenschappelijke opvolger van Hubble, de bibliotheek binnenstormde en decennia lang regeerde en de constante van Hubble verfijnde, waarbij hij consequent het langzame tempo van de expansie verdedigde. Friedman was een van de laatsten die voor hogere tarieven pleitte, en Sandage zag haar ketterse verkenning.
"Hij was zo boos", herinnert Friedman zich, nu aan de Universiteit van Chicago, Illinois, dat ik op dat moment besefte dat we alleen waren in het hele gebouw. Ik deed een stap terug en dacht dat we niet in de vriendelijkste wetenschapsgebieden werken."
Deze confrontatie is afgenomen, maar niet helemaal. Sandage stierf in 2010 en tegen die tijd waren de meeste astronomen samengekomen op de smalbandige Hubble-constante. De laatste gegevens, die Sandage zelf graag had gezien, suggereren echter dat de Hubble-constante 8% lager is dan het leidende getal. Al bijna een eeuw lang hebben astronomen het berekend door zorgvuldig afstanden te meten in het dichtstbijzijnde deel van het universum en steeds verder te gaan. Maar recent hebben astrofysici een constante buiten gemeten op basis van kaarten van de kosmische microgolfachtergrond (CMB), de fragmentarische nagloeiing van de oerknal die de achtergrond is geworden voor het zichtbare universum. Veronderstellingen doen over hoe het duwen en trekken van energie en materie in het universum de snelheid van kosmische expansie heeft veranderd sinds de kosmische microgolfachtergrond gevormd is,astrofysici kunnen hun grafieken nemen en de Hubble-constante aanpassen aan het huidige lokale universum. De nummers moeten overeenkomen. Maar ze komen niet overeen.
Misschien is er iets mis met een van de benaderingen. Beide partijen zijn op zoek naar tekortkomingen in hun eigen methoden en die van anderen, en hoge figuren zoals Friedman haasten zich om hun eigen voorstellen te presenteren. "We weten niet waar dit toe zal leiden", zegt Friedman.
Maar als er geen overeenstemming wordt bereikt, wordt het een scheur in het firmament van de moderne kosmologie. Dit zou kunnen betekenen dat bestaande theorieën een ingrediënt missen dat interfereerde tussen het heden en het oude verleden, verweven met de keten van interacties tussen de CMB en de huidige Hubble-constante. Als dat zo is, herhaalt de geschiedenis zich. In de jaren negentig leidde Adam Riess, momenteel astrofysicus aan de Johns Hopkins University in Baltimore, Maryland, een van de teams die donkere energie ontdekten, een afstotende kracht die de uitdijing van het universum versnelt. Dit is een van de factoren waarmee CMB-berekeningen rekening moeten houden.
Nu is het team van Riesz op zoek naar de Hubble-constante in de nabije ruimte en daarbuiten. Het doel is niet alleen om het aantal te verduidelijken, maar ook om te zien of het in de loop van de tijd verandert op zo'n manier dat zelfs donkere energie het niet kan verklaren. Tot dusverre heeft hij weinig begrip van wat de ontbrekende factor zou kunnen zijn. En hij is erg geïnteresseerd in wat er gebeurt.
Promotie video:
In 1927 ging Hubble verder dan de Melkweg, gewapend met de grootste telescoop ter wereld op dat moment, de 2.5-meter Hooker Telescope, gelegen op Mount Wilson boven Pasadena. Hij fotografeerde de zwakke spiraalvormige vlekken die we nu kennen als sterrenstelsels en mat de roodheid van hun licht terwijl de Doppler verschuift naar lange lichtgolven. Door de roodverschuiving van sterrenstelsels te vergelijken met hun helderheid, kwam Hubble tot een interessante conclusie: hoe zwakker en, vermoedelijk, hoe verder een sterrenstelsel was, hoe sneller het terugging. Bijgevolg breidt het universum zich uit. Dit betekent dat het heelal een eindige leeftijd heeft, die begon met de oerknal.
Kosmische tegenstrijdigheid
Het debat over de Hubble-constante en de snelheid van uitdijing van het heelal begon met hernieuwde kracht te spelen. Astronomen kwamen op een bepaalde datum aan met behulp van de klassieke ladder van afstanden, of astronomische waarnemingen van het plaatselijk universum. Maar deze waarden zijn in strijd met kosmologische schattingen die zijn gemaakt op basis van kaarten van het vroege universum en die verband houden met het heden. Uit deze controverse volgt dat de groei van het universum het ontbrekende ingrediënt kan voeden.
Om de expansiesnelheid - en de bijbehorende constante - te bepalen, had Hubble echte afstanden tot sterrenstelsels nodig, niet alleen relatieve afstanden op basis van hun schijnbare helderheid. Daarom begon hij het moeizame proces van het bouwen van een afgelegen trap - van de Melkweg naar naburige sterrenstelsels en verder, tot aan de grenzen van de zich uitbreidende ruimte. Elke sport van de ladder moet worden gekalibreerd met “standaardkaarsen”: objecten die zo bewegen, pulseren, flitsen of roteren dat je precies kunt zien hoe ver ze verwijderd zijn.
De eerste fase leek betrouwbaar genoeg: veranderlijke sterren genaamd Cepheïden die in de loop van enkele dagen of weken in helderheid toenemen en afnemen. De lengte van deze cyclus geeft de innerlijke helderheid van de ster aan. Door de waargenomen helderheid van de Cepheid te vergelijken met de helderheid die afkomstig is van de trillingen, kon Hubble de afstand ernaartoe berekenen. De Mount Wilson-telescoop kon verschillende cepheïden in nabije sterrenstelsels onderscheiden. Voor verre melkwegstelsels nam hij aan dat de heldere sterren erin dezelfde interne helderheid zouden hebben. Zelfs in de verste sterrenstelsels, suggereerde Hubble, zullen er standaardkaarsen zijn met een uniforme helderheid.
Deze aannames waren duidelijk niet de beste. De eerste door Hubble gepubliceerde constante was 500 kilometer per seconde per megaparsec - dat wil zeggen dat voor elke 3,25 miljoen lichtjaar dat hij in de ruimte tuurde, het uitdijende heelal sterrenstelsels 500 kilometer per seconde sneller voortstuwde. Dit aantal was onjuist en impliceerde dat het universum slechts 2 miljard jaar oud was, dat wil zeggen bijna zeven keer minder dan tegenwoordig wordt aangenomen. Maar dat was nog maar het begin.
In 1949 werd de bouw van de 5,1-meter telescoop in Palomar in Zuid-Californië voltooid, net op tijd voor de hartaanval van Hubble. Hij overhandigde de mantel aan Sandage, een troefwaarnemer die de daaropvolgende decennia besteedde aan het ontwikkelen van fotografische platen tijdens nachtelijke sessies, werkend met het gigantische telescoopapparaat, rillend van de kou en pauzes nodig had.
Met Palomars hogere resolutie en hoge lichtopbrengst, was Sandage in staat om Cepheïden uit verder weg gelegen melkwegstelsels te vangen. Hij realiseerde zich ook dat de heldere sterren van Hubble in wezen hele sterrenhopen waren. Ze waren helderder van aard en daarom veel verder weg dan Hubble dacht, wat, naast andere aanpassingen, een veel lagere Hubble-constante impliceerde. In de jaren tachtig werd Sandage 50 jaar, wat hij fel verdedigde. Een van zijn beroemdste tegenstanders, de Franse astronoom Gerard de Vaucouleurs, suggereerde een waarde van 50. Een van de belangrijkste parameters in de kosmologie verdubbelde letterlijk.
Eind jaren negentig stelde Friedman, nadat ze het verbale geweld van Sandage had overleefd, zichzelf de taak op zich om deze puzzel op te lossen met een nieuwe tool, alsof ze met opzet voor haar werk was ontworpen: de Hubble Space Telescope. Door zijn duidelijke zicht op de atmosfeer kon het team van Friedman individuele Cepheïden 10 keer verder identificeren dan Sandage deed met Palomar. Soms waren er in deze sterrenstelsels zowel cepheïden als helderdere bakens - type Ia supernovae. Deze exploderende witte dwergsterren zijn zichtbaar door de ruimte en barsten uit bij constante en maximale helderheid. Supernovae zijn gekalibreerd op de cepheïden en kunnen op zichzelf worden gebruikt om de verste uithoeken van de ruimte te onderzoeken. In 2001 verkleinde het team van Friedman de Hubble-constante tot 72 plus of min 8, waarmee een einde kwam aan de vete tussen Sandage-de Vaucouleurs. "Ik was uitgeput", zegt ze. "Ik dacht,ga nooit meer aan de slag met de Hubble-constante."
Edwin Hubble
Maar toen verscheen er een natuurkundige die een onafhankelijke manier vond om de Hubble-constante te berekenen met behulp van de meest verre en roodverschoven - de microgolfachtergrond. In 2003 publiceerde de WMAP-sonde zijn eerste kaart, die de spectra van temperatuurschommelingen in de CMB liet zien. Deze kaart leverde geen standaardkaars op, maar een standaardcriterium: een patroon van warme en koude plekken in de oersoep, gecreëerd door geluidsgolven die door het pasgeboren universum rimpelden.
Door verschillende aannames te doen over de ingrediënten in deze bouillon - in de vorm van bekende deeltjes, atomen en fotonen, enkele extra onzichtbare stoffen zoals donkere materie en donkere energie - kon het WMAP-team de fysieke grootte van deze oer-geluidsgolven berekenen. Het kan worden vergeleken met de schijnbare grootte van geluidsgolven die zijn opgenomen in CMB-spots. Deze vergelijking gaf de afstand tot de microgolfachtergrond en de waarde van de expansiesnelheid van het heelal op dat eerste moment. Door aannames te doen over hoe gewone deeltjes, donkere energie en donkere materie sindsdien de expansie hebben veranderd, was het WMAP-team in staat om de constante in overeenstemming te brengen met de huidige draaisnelheid. Ze hebben oorspronkelijk een waarde van 72 afgeleid, volgens wat Friedman vond.
Maar sindsdien hebben astronomische metingen van de Hubble-constante hogere waarden laten zien, hoewel de fout is afgenomen. In recente publicaties is Riess naar voren getreden met behulp van een infraroodcamera die in 2009 is geïnstalleerd bij de Hubble-telescoop, die zowel de afstanden tot de cepheïden van de Melkweg kan bepalen als hun verste, rodere neven en nichten kunnen markeren van de blauwere sterren die normaal gesproken Cepheïden omringen. Het laatste resultaat van het Riess-team was 73,24.
Ondertussen stopte de Planck-missie (ESA), die de CMB in hoge resolutie en met verhoogde temperatuurnauwkeurigheid liet zien, op 67,8. Volgens de wetten van de statistiek worden deze twee grootheden gescheiden door een opening van 3,4 sigma - niet 5 sigma, wat in de deeltjesfysica over een significant resultaat spreekt, maar bijna. "Het is moeilijk te verklaren door een statistische fout", zegt Chuck Bennett, een astrofysicus aan de Johns Hopkins University die het WMAP-team leidde.
Elke kant wijst een vinger naar de andere. Georg Ephstatius, de leidende kosmoloog in het team van Planck aan de Universiteit van Cambridge, zegt dat de gegevens van Planck "absoluut onwrikbaar" zijn. Een nieuwe analyse van de resultaten van Planck in 2013 zette hem aan het denken. Hij downloadde de Riesz-gegevens en publiceerde zijn eigen analyse met een lagere en minder nauwkeurige Hubble-constante. Hij gelooft dat astronomen naar een 'vuile' ladder zochten.
Als reactie hierop beweren astronomen dat ze een daadwerkelijke meting van het moderne universum uitvoeren, aangezien de CMB-meetmethode steunt op veel kosmologische aannames. Als ze niet samenkomen, zeggen ze, waarom zou je de kosmologie dan niet veranderen? In plaats daarvan: "Georg Ephstatius komt naar buiten en zegt: 'Ik ga al je gegevens heroverwegen'", zegt Barry Mador van de Universiteit van Chicago, Friedman's echtgenoot en collega sinds de jaren tachtig. Wat te doen? De Gordiaanse knoop moet worden doorgesneden.
Wendy Friedman geloofde dat haar studie uit 2001 de Hubble-constante had onthuld, maar de controverse is weer aangewakkerd.
Aan de kant van astronomen is er een methode die gravitatielenzen wordt genoemd. Rond een enorm sterrenstelsel vervormt de zwaartekracht zelf de ruimte en vormt een gigantische lens die licht kan vervormen dat afkomstig is van een verre lichtbron, zoals een quasar. Als de uitlijning van de lens en de quasar zeker is, zal het licht langs verschillende paden naar de aarde stromen en veel beelden van het lensstelsel creëren. Als je geluk hebt, verandert de helderheid van de quasar, dat wil zeggen flikkering. Elke gekloonde afbeelding zal ook flikkeren, maar niet tegelijkertijd, omdat de lichtstralen van elke afbeelding verschillende paden door de vervormde ruimte nemen. De vertraging tussen flikkeringen geeft het verschil in padlengtes aan; door ze af te stemmen op de grootte van het sterrenstelsel, kunnen astronomen trigonometrie gebruiken om de absolute afstand tot het lensstelsel te berekenen. Slechts drie sterrenstelsels zijn op deze manier zorgvuldig gemeten, en zes worden momenteel bestudeerd. Eind januari publiceerden astrofysicus Sherri Suyu van het Max Planck Instituut voor Astrofysica in Duitsland en haar collega's hun beste berekeningen van de Hubble-constante. “Onze afmeting past bij de ladderafstand benadering”, zegt Suyu.
Ondertussen hebben kosmologen ook troeven in petto: baryonische akoestische oscillaties (BAO). Naarmate het universum volwassen werd, lieten dezelfde geluidsgolven die op de CMB gedrukt waren, klonten materie achter die uitgroeide tot galactische clusters. De locatie van de sterrenstelsels aan de hemel zou de oorspronkelijke verhoudingen van geluidsgolven moeten behouden, en, zoals eerder, wordt de afstand bepaald door het zichtbare patroon te vergelijken met de berekende werkelijke grootte. Net als de CMB-methode maakt de BAO-methode het mogelijk een kosmologische aanname te doen. Maar de afgelopen jaren heeft hij de waarden van de Hubble-constante op hetzelfde niveau gehouden als Planck. De vierde iteratie van de Sloan Digital Sky Survey, een globaal luchtonderzoek dat de galactische kaart in kaart brengt, zal helpen bij het verfijnen van deze metingen.
Dit betekent niet dat de teams die strijden om de ladder van afstanden en de CMB gewoon wachten op andere manieren om het geschil op te lossen. Om het fundament van de afstandsladder, de afstand tot de Cepheïden in de Melkweg, te verstevigen, probeert de Gaia-missie van het European Space Agency de exacte afstanden te bepalen tot een miljard verschillende nabije sterren, waaronder Cepheïden. Gaia, die buiten de aarde om de zon draait, gebruikt de meest betrouwbare maatstaf: parallax, of de schijnbare verplaatsing van sterren ten opzichte van de hemelachtergrond, wanneer het ruimtevaartuig tegengestelde punten in zijn baan bereikt. Wanneer de volledige Gaia-dataset in 2022 wordt vrijgegeven, biedt dit extra grond voor het vertrouwen van astronomen. Riess vond al hints ten gunste van zijn hogere Hubble-constante toen hij voorlopige Gaia-resultaten gebruikte.
Kosmologen hopen ook hun metingen te stollen met de kosmologische telescoop Atacama in Chili en de zuidpooltelescoop, die de zeer nauwkeurige resultaten van Planck kan testen. En als de resultaten niet overeenkomen, zullen theoretici proberen de kloof te dichten. “Het is goed als het model crasht. Modelvalidatie is niet interessant."
Men zou bijvoorbeeld een extra deeltje kunnen toevoegen aan het Standaardmodel van het Universum. De CMB geeft een schatting van het totale energiebudget kort na de oerknal, toen het werd opgesplitst in materie en hoogenergetische straling. Zoals volgt uit Einsteins beroemde gelijkwaardigheidsformule E = mc2, gedroeg energie zich als materie en vertraagde het de uitdijing van de ruimte met zijn zwaartekracht. Maar materie is een effectievere rem. Na verloop van tijd koelde de straling - fotonen van licht en andere lichtdeeltjes zoals neutrino's - af en verloor energie, het zwaartekrachteffect verzwakte.
Er zijn momenteel drie soorten neutrino's bekend. Als er een vierde was, zoals door sommige theoretici wordt gesuggereerd, was er iets meer aan de stralingszijde in het oorspronkelijke energiebudget van het universum, en dit deel zou sneller verdwijnen. Dit zou op zijn beurt betekenen dat het vroege universum sneller uitbreidde dan de ingrediëntenlijst van de moderne kosmologie voorspelt. In de toekomst zou deze toevoeging twee verschillende resultaten kunnen verzoenen. Maar neutrinodetectoren hebben nog geen aanwijzingen van type 4 neutrino's onthuld, en Planck's andere metingen beperkten de totale hoeveelheid overtollige straling.
Een andere optie is de zogenaamde phantom dark energy. Echte kosmologische modellen betekenen constant vermogen door donkere energie. Als donkere energie in de loop van de tijd sterker wordt, zou dat verklaren waarom de kosmos tegenwoordig sneller uitdijt dan je zou denken als je naar het vroege universum kijkt. Variabele donkere energie lijkt echter volledig overbodig. Kosmologen en astrofysici zijn geneigd te geloven dat de problemen eerder in bestaande methoden dan in nieuwe fysica liggen.
Friedman gelooft dat de enige oplossing - om vuur met vuur te bestrijden - ligt in nieuwe waarnemingen van het universum. Samen met Mador bereiden ze zich voor om een afzonderlijke meting uit te voeren, niet alleen gekalibreerd voor Cepheïden, maar ook voor andere soorten variabele sterren en felrode reuzen. De dichtstbijzijnde voorbeelden kunnen worden bestudeerd met behulp van een automatische telescoop van 30 centimeter breed, en verre exemplaren zullen helpen bij het verkennen van de Hubble- en Spitzer-ruimtetelescopen. Als ze eenmaal in staat is geweest om het hoofd te bieden aan de donkere en gewelddadige Sandage, is ze klaar om de gewaagde uitdaging van het Planck en Riesz-team aan te gaan.
'Ze zeiden dat we het bij het verkeerde eind hadden. Nou, eens kijken,”grapt ze.
ILYA KHEL
