Donderdag 28/10/2021

Lang leve Einsteins blunder

Het heelal heeft zijn leeftijdscrisis overwonnen. Niet langer lijkt de kosmos jonger dan sommige van de oudste sterren die erin voorkomen, en bovendien is het gevaar van totale ineenstorting voorbij. Een onbegrepen kracht stuwt het heelal aantoonbaar naar het eeuwige leven.

Saul Perlmutter heeft zijn zin. Als klein jongetje droomde hij er al van om de grote, fundamentele vraagstukken van het bestaan op te lossen. Hij is nu 39, en in de afgelopen paar jaar heeft hij de toekomst van het heelal ontraadseld. Hoewel, ontraadseld - op de grens van het derde millennium is de kosmos misschien wel raadselachtiger dan ooit.

Kort gezegd komt het erop neer dat het heelal het eeuwige leven heeft. Alle sterren en sterrenstelsels in het heelal hebben samen niet voldoende massa om de uitdijing tot stilstand te brengen. Sterker: de uitdijing zal in de toekomst steeds sneller verlopen, en dat wijst erop dat er in de lege ruimte een afstotende kracht werkzaam is.

Perlmutters ontdekking werd in december door het Amerikaanse weekblad Science uitgeroepen tot de wetenschappelijke doorbraak van het jaar. En het januarinummer van het maandblad Scientific American wijdt maar liefst drie artikels aan de nieuwe inzichten. Perlmutter heeft geschiedenis geschreven. De kosmos zal nooit meer zijn wat hij geweest is.

"Een beetje verontrustend is het natuurlijk wel, al die aandacht", zegt hij. "Wie weet blijken er toch onopgemerkte fouten in de waarnemingen te zitten. Als Science een jaar eerder met die onderscheiding was gekomen, had ik het te vroeg gevonden. Aan de andere kant worden onze conclusies volledig bevestigd door een ander onderzoeksteam, en dat schept natuurlijk veel vertrouwen."

Een paar weken geleden, tijdens de 193ste bijeenkomst van de American Astronomical Society, in Austin (Texas), presenteerden de twee teams hun nieuwste resultaten voor een gehoor van vele honderden astronomen uit de hele wereld. Waardering en bewondering alom, luid applaus na afloop: geen mens lijkt meer aan de opzienbarende conclusies te twijfelen. Dat die conclusies met zich meebrengen dat 95 procent van het heelal achter een groot vraagteken schuilgaat, lijkt niemand te verontrusten.

Perlmutter, verbonden aan het Lawrence Berkeley Laboratory in Californië, leidt het Supernova Cosmology Project. Tien jaar geleden begon zijn klopjacht op de eigenschappen van het heelal. Pas na een jaar of vijf zag het er voor het eerst naar uit dat de speurtocht succes zou hebben. Daarna duurde het nog eens vijf jaar voordat er resultaten te melden waren.

Inmiddels was het High-z Supernova Team onder leiding van Brian Schmidt van de Mount Stromlo-sterrenwacht in Australië ook in de race. "De onderlinge competitie heeft ertoe geleid dat er de afgelopen jaren vreselijk hard is gewerkt", aldus Perlmutter, die nog steeds spreekt en beweegt in een tempo alsof er een hardloopwedstrijd gewonnen moet worden. "Inmiddels zijn we in wat rustiger vaarwater terechtgekomen. Op sommige punten wordt er zelfs samengewerkt."

Niemand kan in de toekomst kijken, maar de toekomst van het heelal ligt besloten in het verleden. Wat Perlmutter en Schmidt ontdekten, is dat het heelal lang geleden minder snel uitdijde dan nu. Anders gezegd: de uitdijingssnelheid neemt toe, en dat betekent dat het heelal het eeuwige leven heeft en niet in de verre toekomst door de eigen zwaartekracht weer ineen zal storten. Bovendien kan die versnelling alleen worden veroorzaakt door een merkwaardig soort vacuümenergie, die de 'kosmologische constante' wordt genoemd.

Over de kosmologische constante werd al gespeculeerd lang voordat Perlmutter en Schmidt waren geboren. Albert Einstein voegde deze term begin deze eeuw toe aan zijn relativiteitsformules, om te verklaren waarom het statisch geachte heelal niet ineenstortte onder zijn eigen gewicht. De onderlinge aantrekkingskracht van alle materie in het heelal, zo redeneerde Einstein, werd kennelijk tegengewerkt door een soort afstotende kracht van de lege ruimte.

Toen de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble (naar wie de Hubble Space Telescope is genoemd) eind jaren twintig de uitdijing van het heelal ontdekte, omschreef Einstein de kosmologische constante als 'de grootste blunder van mijn leven'. De mysterieuze constante was niet langer nodig: het was de energie van de oerknal die de sterrenstelsels uiteendreef, en op die manier de zwaartekracht tegenwerkte.

Maar de kosmologische constante heeft een opmerkelijke comeback gemaakt. De recente waarnemingen betreffende ververwijderde supernova's tonen op overtuigende wijze aan dat Einsteins mysterieuze vacuümenergie wel degelijk een rol speelt in het heelal. Sterker: het lot van de kosmos ligt volledig in handen van Einsteins 'blunder'; de zwaartekracht van alle materie in het heelal heeft nauwelijks invloed.

De uitdijing van het heelal verraadt zich in het licht van ververwijderde objecten. Als gevolg van de kosmische uitdijing worden lichtgolven uitgerekt, zodat ze met een langere golflengte op aarde aankomen dan waarmee ze lang geleden op pad gingen. Uit die zogeheten roodverschuiving van een ververwijderd sterrenstelsel kunnen sterrenkundigen nauwkeurig afleiden hoe sterk het heelal is uitgedijd sinds het licht werd uitgezonden.

Net als het High-z Supernova Team van Brian Schmidt (de letter z is het symbool waarmee sterrenkundigen de roodverschuiving aangeven) richt Perlmutters onderzoek zich geheel op ververwijderde supernova's, enorm krachtige sterexplosies die zoveel energie uitstralen dat ze op afstanden van miljarden lichtjaren nog zichtbaar zijn. Door de afstanden en de roodverschuivingen van die verre supernova's met elkaar te vergelijken, kan de uitdijingsgeschiedenis van het heelal in kaart worden gebracht.

Van tweeënveertig supernova's zijn de meetgegevens nu volledig geanalyseerd, en het blijkt dat de allerzwakste (en dus allerverste) supernova's systematisch een te lage roodverschuiving hebben. In de tijd die het licht van de supernova ervoor nodig heeft gehad om de aarde te bereiken, is het heelal dus minder sterk uitgedijd dan je zou verwachten op grond van de huidige uitdijingssnelheid. Anders gezegd: die uitdijingssnelheid was vroeger lager dan nu.

Tot nu toe ging iedereen er altijd van uit dat de uitdijingssnelheid vroeger hoger was, doordat de uitdijing wordt afgeremd door de zwaartekracht van alle materie in het heelal. Het feit dat er sprake is van een versnelling, ondanks die afremmende werking van de zwaartekracht, betekent dat de lege ruimte zelf een soort afstotende kracht vertoont: de kosmologische constante.

Perlmutters waarnemingen zijn zeer accuraat, zijn grafieken zijn bijzonder overtuigend, en zijn conclusies lijken dan ook onweerlegbaar. Toch is er alle reden tot zorg, zegt hij zelf. In de eerste plaats is het niet honderd procent zeker dat supernova's heel lang geleden precies dezelfde eigenschappen hadden als tegenwoordig. Misschien waren ze in de jeugd van het heelal iets minder energierijk.

Ook worden de verre supernova's wellicht verzwakt door de absorberende werking van stofdeeltjes in het sterrenstelsel waarin de sterexplosie plaatsvindt. In beide gevallen ziet een supernova er zwakker uit dan hij eigenlijk is, en klopt de afstandsbepaling dus niet. Nauwkeurig spectroscopisch onderzoek van vele tientallen supernova's doet echter vermoeden dat die twee effecten geen rol van betekenis spelen.

Er is trouwens ook goed nieuws: de leeftijdscrisis van het heelal lijkt met de nieuwe resultaten bezworen te zijn. Een paar jaar geleden zag het er naar uit dat het heelal jonger is dan de oudste sterren die erin voorkomen. De leeftijdsbepaling moet nu echter naar boven worden bijgesteld. Als de uitdijing vroeger trager verliep dan nu, heeft het heelal immers meer tijd nodig gehad om de huidige afmetingen te bereiken en is het dus ouder dan je op basis van de huidige uitdijingssnelheid zou denken.

"Onze beste schattingen komen uit op 14,1 miljard jaar", zegt Perlmutter. Dat is niet langer in strijd met de leeftijden van de oudste sterren, die vermoedelijk zo'n 12 miljard jaar oud zijn. Zo helpt de comeback van Einsteins 'blunder' een ander probleem uit de wereld.

Een groot raadsel blijft echter de kosmologische constante zelf. Op grond van de supernova-resultaten trekken Perlmutter en Schmidt de conclusie dat de kosmologische constante ongeveer 70 procent van de totale energiedichtheid in het heelal voor haar rekening neemt. Alle materie in het heelal (materie is volgens Einsteins relativiteitstheorie ook een vorm van energie) zou slechts 30 procent van die energiedichtheid vertegenwoordigen.

Niemand weet echter waar de kosmologische constante vandaan komt en waarom zij precies de waarde heeft die ze heeft. Zeventig procent van de energiedichtheid van het heelal is dus één groot raadsel.

In feite is de situatie zelfs nog verontrustender: er is veel donkere materie in het heelal en het overgrote deel daarvan kan volgens de oerknaltheorie niet uit gewone atomen bestaan. Wat het dan wel is, weet geen mens. "Alles bij elkaar is 95 procent van de totale inhoud van het heelal eigenlijk onbegrepen", aldus Perlmutter. "Hopelijk leidt het supernova-onderzoek ertoe dat er binnenkort een theoretische doorbraak zal komen, waardoor alle puzzelstukjes op hun plaats vallen."

Govert Schilling

© de Volkskrant

Meer over

Nu belangrijker dan ooit: steun kwaliteitsjournalistiek.

Neem een abonnement op De Morgen


Op alle artikelen, foto's en video's op demorgen.be rust auteursrecht. Deeplinken kan, maar dan zonder dat onze content in een nieuw frame op uw website verschijnt. Graag enkel de titel van onze website en de titel van het artikel vermelden in de link. Indien u teksten, foto's of video's op een andere manier wenst over te nemen, mail dan naar info@demorgen.be.
DPG Media nv – Mediaplein 1, 2018 Antwerpen – RPR Antwerpen nr. 0432.306.234