Door het universum te onderzoeken, blijven puzzels onbeantwoord

Waar bestaat het heelal uit – en hoe snel breidt het zich uit? Het onderzoeksteam heeft tot nu toe de meest nauwkeurige antwoorden op deze vragen gekregen. Om dit te doen, evalueerden de astronomen gegevens van meer dan 1.500 starbursts tot op 10,7 miljard lichtjaar afstand. Maar hun resultaat, d.w.z. hoe snel het heelal uitdijt, is duidelijk niet in overeenstemming met een op een andere manier gedefinieerde waarde. Dit wijst op een voorheen onbekend fenomeen in het jonge universum, aldus de wetenschappers in The Astrophysical Journal.

Als onderdeel van het Pantheon+-project analyseerden Dillon Brout van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, VS, en zijn team specifieke soorten stellaire explosies – het eerste type supernova. Al deze starbursts gloeien met dezelfde helderheid, waardoor ze zeer waardevol zijn voor astronomen. Door te observeren hoe helder we ze vanaf de aarde kunnen zien, kan de afstand van de ontploffing worden berekend. Deze kosmologische schaal kan vervolgens worden gebruikt om te bepalen waaruit het universum bestaat en hoe snel het uitdijt.

De onderzoekers berekenden dit met behulp van licht gemeten van stellaire explosies. De gegevens bevestigen het vorige kosmologische model nauwkeuriger dan alle eerdere metingen. Volgens dit model vormt de materie waaruit het universum is gemaakt – dat wil zeggen de sterren, planeten en wij zijn mensen – slechts een klein deel van ongeveer vijf procent van het universum. In plaats daarvan domineren donkere materie en donkere energie het universum – twee componenten die tot nu toe een mysterie waren.

Donkere materie maakt ongeveer 29 procent van het universum uit en zorgt ervoor dat sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels bij elkaar worden gehouden door de zwaartekracht. Zichtbare materie alleen zou niet voldoende zijn, dus sterren, planeten en leven zouden nooit zijn gevormd zonder donkere materie. Nog mysterieuzer is donkere energie: astronomen denken dat dit de reden is waarom het heelal nog sneller uitdijde nadat het 13,8 miljard jaar geleden tijdens de oerknal was gevormd. Want zonder een extra vorm van energie zou deze expansie moeten vertragen. Nu tonen de Pantheon+-gegevens aan dat donkere energie in feite constant is gebleven gedurende de kosmische geschiedenis, wat eerdere aannames van deze aard bevestigt.

Bovendien hebben de auteurs van het onderzoek berekend hoe snel het universum tegenwoordig uitdijt. Astronomen beschrijven de expansiesnelheid met behulp van de Hubble-constante, genoemd naar Edwin Hubble, de ontdekker van kosmische expansie. De onderzoekers berekenden een waarde van 73,4 voor de Hubble-constante met een onzekerheid van slechts 1,3 procent. Soortgelijke waarden zijn op deze manier al bepaald, zij het minder nauwkeurig. Er is echter ook een tweede, onafhankelijke methode om de Hubble-constante te bepalen. Het is gebaseerd op een gedetailleerde studie van de kosmische achtergrondstraling – een soort echo van straling van de oerknal – en geeft een waarde van 67,4 met een onzekerheid van 0,7 procent.

Tot nu toe hoopten onderzoekers nog steeds dat dit verbazingwekkende verschil tussen de berekende Hubble-constanten eenvoudigweg zou veranderen in een statistische fout. Maar met de nieuwe gegevens is de kans daarop gedaald tot ruim onder een tienduizendste van een procent. Deze afwijking, ook wel de Hubble-spanning genoemd, kan dankzij de nieuwe fijnbepaling nauwelijks als een willekeurig resultaat worden beschouwd.

“We hoopten een mogelijke oplossing voor ons dataprobleem te vinden – in plaats daarvan moeten we veel van de verklaringen negeren, en de verschillen zijn ernstiger dan voorheen”, zegt Pruitt. Verschillende waarden van de Hubble-constante geven fysieke verschijnselen aan die voorheen niet bekend waren in het jonge universum. Maar de aard van deze verschijnselen is nog onbekend.