Dit jaar zou de boeken in kunnen gaan als de start van een baanbrekende periode in de kosmologie, met grote gevolgen voor ons begrip van het heelal. Na ruim een kwart eeuw lijkt er eindelijk schot te zitten in het onderzoek naar donkere energie, de drijvende kracht achter de versnelde uitdijing van het heelal.
Vorig jaar presenteerden onderzoekers waarnemingen die erop hinten dat donkere energie geleidelijk afzwakt. Een verrassend resultaat, omdat deze mysterieuze energie, waaruit ongeveer 70 procent van het universum zou bestaan, een constante factor leek. Het veroorzaakt opwinding onder fysici, omdat het iets zou kunnen vertellen over de aard van donkere energie en daarmee de hele kosmos.
Donkere energie is al 25 jaar een raadsel. „Het is een term die we geïntroduceerd hebben om datgene te beschrijven wat ervoor zorgt dat het heelal versneld uitdijt. Maar we weten niet wat het is”, zegt Isobel Hook, hoogleraar astrofysica aan de Lancaster University in het Verenigd Koninkrijk. Wetenschappers kunnen donkere energie niet direct waarnemen. Ze zien enkel het effect ervan op het heelal. „We willen ontzettend graag weten wat het is”, zegt Henk Hoekstra, hoogleraar observationele kosmologie aan de Universiteit Leiden. „Het is een van de grootste vragen in de wetenschap.”
De waargenomen supernova’s bleken minder helder dan verwacht, wat betekent dat ze sneller bij ons vandaan bewegen
Daarom zijn fysici voorzichtig enthousiast over de resultaten uit april die een tipje van de sluier lijken op te lichten. Maar Hoekstra en zijn collega’s benadrukken ook dat de bevindingen niet overtuigend genoeg zijn om van een ontdekking te spreken. De waargenomen afzwakking kan schijn zijn, veroorzaakt door ruis in de hemelwaarnemingen of fouten in de data-analyse.
Toch lijkt het het begin van een interessante tijd voor het donkere-energieonderzoek. Er zijn namelijk steeds meer waarnemingen die lijken te schuren met heersende ideeën over donkere energie. „Overal lijkt het wat te piepen en te kraken”, zegt Hoekstra. „Dat kunnen de eerste aanwijzingen zijn van nieuwe natuurkunde waarmee we eindelijk grip kunnen krijgen op donkere energie.”
Achterhalen wat donkere energie is, is niet eenvoudig. „Hoewel het 70 procent van ons heelal lijkt uit te maken, is het effect ervan op onze hemelwaarnemingen enorm subtiel”, legt Hoekstra uit. Met een nieuw arsenaal aan specialistische (ruimte)telescopen hopen astrofysici dit mysterie de komende jaren te gaan ontrafelen. Hoe meet en onderzoek je zoiets ongrijpbaars?
Kosmische wind
In 1998 ontdekten twee onderzoeksgroepen dat het heelal steeds sneller is gaan uitdijen. Dat was een complete verrassing. Het was al enkele decennia bekend dat het heelal uitdijt, aangeslingerd door de oerknal. Maar de verwachting was dat die uitdijing geleidelijk zou afnemen en misschien zelfs zou terugdraaien, door de aantrekkende zwaartekracht tussen de sterrenstelsels. Wat ze zagen was het omgekeerde.
De onderzoeksgroepen richtten in de jaren negentig hun telescopen op de hemel om aan de hand van sterexplosies in kaart te brengen hoe de uitdijing in de loop van de geschiedenis is veranderd. Terug in de tijd kijken is voor sterrenkundigen relatief eenvoudig. Omdat licht met 300.000 kilometer per seconde reist, doet het bijvoorbeeld acht minuten over de 150 miljoen kilometer vanaf de zon. We zien de zon dus zoals die er acht minuten geleden uitzag. Sterren op biljoenen kilometers afstand zien we zoals ze er jaren geleden uitzagen. Hoe dieper je het heelal in tuurt, hoe verder je terug in de tijd kijkt.
Om te bepalen naar welke periode je kijkt, moet je weten welke afstand het licht heeft afgelegd. Daarom keken de onderzoeksgroepen naar sterexplosies genaamd type Ia supernova (‘type one-A’), die een specifieke hoeveelheid licht uitzenden. „Deze explosies kunnen we gebruiken als zogeheten standaardkaarsen”, vertelt Hook, die in 1998 betrokken was bij dit onderzoek. „Omdat we hun specifieke intrinsieke helderheid kennen, kunnen we uit de helderheid die we waarnemen afleiden hoe ver weg ze staan.” Simpel gezegd: hoe zwakker het licht, hoe verder weg de supernova.
„De waargenomen supernova’s bleken minder helder dan verwacht, wat betekent dat ze sneller bij ons vandaan bewegen dan gedacht”, vertelt Hook. De verrassende conclusie – die onderzoekersleiders Saul Perlmutter, Adam Riess en Brian Schmidt in 2011 een Nobelprijs opleverde – was dat de uitdijing van het heelal versnelt. Het is alsof een bal die je opgooit niet terugvalt, maar steeds sneller omhoog vliegt.
Borrelende quantumsoep
Iets lijkt de uitdijing dus een extra zet te geven. „En dat kunnen we niet verklaren met de materie en energie die we kennen”, vertelt Alessandra Silvestri, universitair hoofddocent kosmologie aan de Universiteit Leiden. „We hebben iets nieuws nodig. Of dat een onbekende vorm van energie is of een aanpassing aan de wetten van de zwaartekracht, dat weten we niet.” Dat iets kreeg de naam donkere energie.
Inmiddels zijn de supernova-metingen niet het enige bewijs voor het bestaan van donkere energie. Onder meer de waargenomen verdeling van sterrenstelsels aan de hemel en de kosmische achtergrondstraling wijzen er ook op dat 70 procent van het heelal uit donkere energie bestaat. De kosmische achtergrondstraling is de warmtestraling die het heelal uitzond toen het slechts 380.000 jaar oud was.
De versnelde uitdijing van het heelal is overigens alleen merkbaar op grote schaal. We zien de zon en nabije sterren niet bij ons vandaan bewegen omdat sterrenstelsels in de uitdijende ruimte bij elkaar gehouden worden door hun onderlinge aantrekkende zwaartekracht.
Het vacuüm bubbelt en borrelt met deeltjes die heel even verschijnen en weer verdwijnen
De meest eenvoudige verklaring voor donkere energie is dat de lege ruimte zelf een bepaalde hoeveelheid energie bevat die de boel uiteen drijft. Komt er meer ruimte omdat het heelal uitdijt, dan komt er dus ook meer van deze donkere energie bij, terwijl de hoeveelheid bekende energie en materie gelijk blijft. De theoretische beschrijving hiervan is de zogeheten kosmologische constante die je kunt toevoegen aan de zwaartekrachttheorie van Einstein.
Energie van lege ruimte klinkt misschien gek, maar volgens de quantummechanica is het vacuüm nooit helemaal leeg. „Het vacuüm bubbelt en borrelt met deeltjes die heel even verschijnen en weer verdwijnen”, vertelt Hoekstra. Die borrelende quantumsoep levert een vacuümenergie op. Daarmee lijkt de kosmische constante een mooie verklaring, maar als fysici eraan gaan rekenen dan vinden ze een waarde die maar liefst 10120 keer groter is dan de hoeveelheid donkere energie die astrofysici waarnemen. Sommige fysici noemen het „de slechtste theoretische voorspelling in de geschiedenis van de natuurkunde”.
Als donkere energie inderdaad de kosmologische constante is, dan moet er een reden zijn waardoor de waarde ongelooflijk veel kleiner is dan de quantummechanica lijkt te voorspellen. Wat de reden is, blijft gissen. Nobellaureaat Steven Weinberg heeft een mogelijke verklaring geopperd. Hij stelt dat ons universum onderdeel is van een grote verzameling universa, genaamd het multiversum. Quantumfluctuaties kunnen ervoor zorgen dat al die universa verschillende hoeveelheden donkere energie bevatten. De reden dat wij in een universum leven met die onwaarschijnlijk kleine waarde, komt doordat dat een vereiste is voor het ontstaan met sterren, planeten en levende wezens die hierover kunnen nadenken.
Kwintessens
Er zijn ook andere voorstellen waarbij donkere energie helemaal geen constante factor is, maar iets wat verandert in de tijd. Dat zou passen bij de resultaten uit april vorig jaar, als die bevestigd worden. Een voorbeeld hiervan is de zogeheten kwintessens (quintessence) donkere energie, waarbij een nog onbekend krachtveld zorgt voor de versnelde uitdijing van het heelal. „En er zijn voorstellen om de zwaartekrachtwetten een klein beetje aan te passen waardoor de zwaartekracht zich op grote schaal net anders gedraagt”, vertelt Silvestri.
We verzamelen steeds meer informatie over deze sterexplosies
Daarnaast zijn er fysici die het bestaan van donkere energie en zelfs de versnelde uitdijing van het heelal in twijfel trekken. Zo publiceerden Nieuw-Zeelandse onderzoekers in december een artikel waarin ze supernovawaarnemingen analyseren en daarin bewijs vinden voor het zogeheten timescape-model. Volgens dat model is de waargenomen versnelde uitdijing een illusie, veroorzaakt door een ‘klonterige’ groei van het heelal, waarbij verschillende gebieden verschillend uitdijen.
Silvestri, Hoekstra en Hook vinden het een interessante publicatie, maar merken op dat er alleen naar supernovametingen gekeken wordt. „Er zijn veel andere waarnemingen die wijzen op donkere energie. Die zullen ze ook moeten kunnen verklaren”, zegt Silvestri.
Silvestri leidt een theoriegroep die werkt aan manieren om de wildgroei aan theoretische modellen die donkere energie proberen te verklaren te testen. „Dat doen we door met computers te simuleren hoe de structuur in het heelal er volgens deze modellen uit zou zien en evolueert, zodat we dat kunnen vergelijken met waarnemingen”, vertelt ze. Als de voorspellingen van een model kloppen met de werkelijke waarnemingen, dan weet je dat je op het juiste spoor zit.
Miljoenen sterrenstelsels
Om de modellen te kunnen testen brengen astrofysici in kaart hoe de uitdijing van het heelal de afgelopen miljarden jaren verliep. Dat doen ze onder meer met het DESI-samenwerkingsverband (Dark Energy Spectroscopic Instrument), dat met telescopen op aarde kijkt naar de structuur van de verdeling van tientallen miljoenen sterrenstelsels op verschillende momenten in de geschiedenis van het heelal. Die structuur is een overblijfsel van dichtheidsverschillen vlak na de oerknal en ligt dus al miljarden jaren vast. Daarom kun je de afstanden erin gebruiken als kosmische meetlat om de uitdijing van de ruimte te bepalen.
De resultaten van afgelopen april die erop hinten dat donkere energie geleidelijk afzwakt, kwamen van de eerste DESI-metingen. Hoekstra is voorzichtig enthousiast hierover. „Dit soort metingen zijn lastig. Je moet je meetinstrumenten en analysemethoden heel goed begrijpen”, zegt hij. „Daarom wacht ik liever op meer en betere data.” Lang hoeft hij niet te wachten. Er komt binnenkort veel nieuwe data van DESI en andere observatoria.
Over ongeveer een jaar worden de eerste donkere-energiemetingen verwacht van de in 2023 gelanceerde ruimtetelescoop Euclid, waarbij Nederlandse onderzoekers zoals Hoekstra en Silvestri betrokken zijn. „Euclid gaat ook kijken naar de verdeling van sterrenstelsels en zal daarnaast de verdeling van de eveneens onbekende donkere materie in kaart brengen”, vertelt Hoekstra. „Zo krijgen we een compleet beeld van de verdeling van alle massa in het heelal door de tijd heen.”
Ook de supernovawaarnemingen gaan door. Inmiddels zijn er een paar duizend type Ia supernova’s waargenomen. „En we verzamelen steeds meer informatie over deze sterexplosies, zodat we de afstanden en dus de uitdijing nauwkeuriger kunnen bepalen”, vertelt Hook. Dit zal in een stroomversnelling komen met het Vera C. Rubin Observatorium dat in aanbouw is in Chili en veel supernova’s belooft te gaan waarnemen.
Volgens Hoekstra breekt er met deze nieuwe meetinstrumenten een gouden tijd aan voor het donkere-energieonderzoek. Silvestri sluit zich daarbij aan. „Toen mijn onderzoeksgroep begin dit jaar nieuwjaarswensen uitwisselde, zei ik: gelukkig 2025, oftewel het jaar van de donkere energie!”
