Een oplossing voor een van de grote mysteries van de kosmologie

Een recente studie suggereert dat de ‘Hubble-spanning’, een discrepantie in metingen van de uitdijingssnelheid van het universum, opgelost zou kunnen worden met behulp van de alternatieve MOND-theorie van de zwaartekracht. Deze theorie suggereert dat verschillen in lokale materiedichtheid verantwoordelijk zijn voor de waargenomen discrepanties.

Het onderzoek, uitgevoerd door de universiteiten van Bonn en St. Andrews, suggereert een mogelijke nieuwe verklaring voor Hubble-jitter.

Het heelal dijt uit. Hoe snel dit gaat, wordt beschreven door wat de Hubble-Lameter-constante wordt genoemd. Maar er bestaat onenigheid over de werkelijke omvang van deze constante: verschillende meetmethoden leveren tegenstrijdige waarden op. Deze zogenaamde ‘Hubble-spanning’ vormt een mysterie voor kosmologen. Nu stellen onderzoekers van de universiteiten van Bonn en St. Andrews een nieuwe oplossing voor: met behulp van een alternatieve zwaartekrachttheorie kan de discrepantie in de gemeten waarden eenvoudig worden verklaard – de Hubble-jitter verdwijnt. Het onderzoek is nu gepubliceerd in Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society (MNRAS).

Inzicht in de uitdijing van het heelal

Door de uitdijing van het heelal bewegen sterrenstelsels zich van elkaar af. De snelheid waarmee ze dit doen is evenredig met de afstand tussen hen. Als Melkweg A bijvoorbeeld twee keer zo ver van de aarde verwijderd is als Melkweg B, dan neemt de afstand tot ons ook twee keer zo snel toe. De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble was een van de eersten die dit verband onderkende.

Om te berekenen hoe snel twee sterrenstelsels van elkaar af bewegen, is het noodzakelijk om te weten hoe ver ze uit elkaar staan. Hiervoor is echter ook een constante nodig waarmee deze afstand moet worden vermenigvuldigd. Dit is de zogenaamde Hubble-Lameter-constante, een fundamentele parameter in de kosmologie. De waarde ervan kan bijvoorbeeld worden bepaald door naar zeer afgelegen gebieden van het universum te kijken. Dit geeft een snelheid van ongeveer 244.000 kilometer per uur per uur megaparsec Afstand (één megaparsec is iets meer dan drie miljoen lichtjaar).

(Blauw; gele stippen vertegenwoordigen individuele sterrenstelsels.) De Melkweg (groen) bevindt zich in een gebied met weinig materie. De sterrenstelsels in de bel bewegen zich in de richting van hogere materiedichtheden (rode pijlen). Daarom lijkt het heelal binnen de bel sneller uit te breiden. Bron afbeelding: A.G. Krupa/Universiteit van Bonn

Inconsistentie in metingen

“Maar je kunt ook kijken naar hemellichamen die veel dichter bij ons staan – zogenaamde klasse 1A-supernova’s, die een bepaald type exploderende ster zijn”, legt professor dr. Pavel Krupa van het Helmholtz Instituut voor Straling en Kernfysica in Helmholtz uit. Universiteit. Universiteit van Bonn. Het is mogelijk om de afstand van Supernova 1a tot de aarde heel nauwkeurig te bepalen. We weten ook dat heldere objecten van kleur veranderen als ze van ons weg bewegen, en hoe sneller ze bewegen, hoe sterker de verandering. Dit is vergelijkbaar met een ambulance, waarvan de sirenes dieper klinken als ze van ons weggaan.

READ Hoe NASA's PACE-missie de geheimen van de oceanen en de atmosfeer hoopt te onderzoeken

Als we nu de snelheid van supernova 1a berekenen op basis van hun kleurverschuiving en dit relateren aan hun afstand, komen we uit op een andere waarde voor de Hubble-Lameter-constante: iets minder dan 264.000 kilometer per uur per miljoen parsec afstand. ‘Het lijkt erop dat het heelal in onze directe omgeving – op een afstand van ongeveer drie miljard lichtjaar – sneller uitdijt dan in zijn geheel’, zegt Krupa. “En dat zou eigenlijk niet het geval moeten zijn.”

Er is echter onlangs een waarneming naar voren gekomen die dit zou kunnen verklaren. Volgens deze theorie bevindt de aarde zich in een gebied in de ruimte waar relatief weinig materie aanwezig is, wat lijkt op een luchtbel in een taart. De dichtheid van materie is hoger rond de bel. Uit dit omringende materiaal komen zwaartekrachtkrachten voort, die de sterrenstelsels in de bel naar de randen van de holte trekken. “Daarom verwijderen ze zich sneller van ons dan eigenlijk verwacht”, legt Dr. Indranil Banik van de Universiteit van St. Andrews uit. De afwijkingen kunnen daarom eenvoudigweg worden verklaard door een lokale “dichtheidsdaling”.

Een andere onderzoeksgroep heeft onlangs zelfs de gemiddelde snelheid gemeten van een groot aantal sterrenstelsels op 600 miljoen lichtjaar afstand. “Het bleek dat deze sterrenstelsels vier keer sneller van ons weg bewegen dan het standaardmodel van de kosmologie toestaat”, legt Sergey Mazurenko van Krupa’s onderzoeksgroep uit, die aan het huidige onderzoek deelnam.

Bubbel in het deeg van het universum

Dit komt omdat het standaardmodel niet zulke lage dichtheden of ‘bubbels’ biedt – ze zouden er eigenlijk niet moeten zijn. In plaats daarvan moet het materiaal gelijkmatig in de ruimte worden verdeeld. Als dit echter het geval zou zijn, zou het moeilijk zijn de krachten te verklaren die sterrenstelsels tot hun hoge snelheid duwen.

READ Er zijn octopussen gezien die op vissen jaagden en vissen aanvielen die niet meewerkten

“Het Standaardmodel is gebaseerd op de theorie van Albert Einstein over de aard van de zwaartekracht”, zegt Krupa. “Zwaartekrachtkrachten kunnen zich echter anders gedragen dan Einstein voorspelde.” Werkgroepen van de universiteiten van Bonn en St. Andrews gebruikten een aangepaste zwaartekrachttheorie in een computersimulatie. Deze “Modified Newtonian Dynamics” (afkorting: MOND) werd vier decennia geleden voorgesteld door de Israëlische natuurkundige professor Dr. Mordehai Milgrom. Het wordt tot op de dag van vandaag nog steeds als een externe theorie beschouwd. “In onze berekeningen voorspelt MOND nauwkeurig het bestaan van dergelijke zeepbellen”, zegt Krupa.

Als je zou aannemen dat de zwaartekracht zich daadwerkelijk gedraagt volgens de aannames van Milgrom, zou de Hubble-spanning verdwijnen: er zou eigenlijk maar één constante zijn voor de uitdijing van het heelal, en de waargenomen afwijkingen zouden het gevolg zijn van een onregelmatige verdeling van de materie.

Referentie: “Gelijktijdige resolutie van de Hubble-tensor en de waargenomen bulkflux gedurende 250 uur −1 megaparsec” door Sergey Mazurenko, Indranil Banik, Pavel Krupa en Moritz Hasselbauer, 2 november 2023, Maandelijkse mededelingen van de Royal Astronomical Society.
doi: 10.1093/manras/stad3357

Naast de Universiteit van Bonn namen ook de Universiteit van St. Andrews (Schotland) en de Charles Universiteit in Praag (Tsjechië) deel aan het onderzoek. Het werk werd gefinancierd door de Britse Science and Technology Facilities Council.