Meer dan tien jaar geleden begon de Dark Energy Survey (DES) met het in kaart brengen van het heelal om bewijs te vinden dat ons zou kunnen helpen de aard van het mysterieuze fenomeen dat bekend staat als donkere energie te begrijpen. Ik ben een van de meer dan 100 wetenschappers die hebben meegewerkt aan de uiteindelijke DES-meting, die zojuist is gepubliceerd op de 243e bijeenkomst van de American Astronomical Society in New Orleans.
Donkere energie maakt naar schatting bijna 70% uit van het waarneembare heelal, maar we begrijpen nog steeds niet wat het is. Hoewel de aard ervan mysterieus blijft, is de invloed van donkere energie op grote schaal merkbaar. Het belangrijkste effect is de versnelde uitdijing van het heelal.
De aankondiging in New Orleans kan ons dichter bij een beter begrip van deze vorm van energie brengen. Het geeft ons onder andere de mogelijkheid om onze waarnemingen te toetsen aan een idee dat de kosmologische constante wordt genoemd en dat in 1917 door Albert Einstein werd geïntroduceerd als een manier om de effecten van de zwaartekracht in zijn vergelijkingen tegen te gaan om een universum te krijgen dat noch uitdijde noch inkromp. Einstein verwijderde het later uit zijn berekeningen.
Later ontdekten kosmologen echter dat het universum niet alleen uitdijde, maar dat de uitdijing versnelde. Deze observatie werd toegeschreven aan de mysterieuze hoeveelheid die donkere energie wordt genoemd. Einstein’s concept van de kosmologische constante zou donkere energie kunnen verklaren als deze een positieve waarde had (waardoor het zou voldoen aan de versnellende uitdijing van de kosmos).
De DES-resultaten zijn het hoogtepunt van tientallen jaren werk door onderzoekers over de hele wereld en bieden een van de beste metingen tot nu toe van een ongrijpbare parameter genaamd “w”, wat staat voor de “toestandsvergelijking” van donkere energie. Sinds de ontdekking van donkere energie in 1998 is de waarde van de toestandsvergelijking een fundamentele vraag.
Deze toestand beschrijft de verhouding tussen de druk en de energiedichtheid van een stof. Alles in het universum heeft een toestandsvergelijking.
De waarde vertelt je of een stof gasachtig is, relativistisch (beschreven door Einstein’s relativiteitstheorie) of niet, of dat het zich gedraagt als een vloeistof. Het uitwerken van dit getal is de eerste stap om de ware aard van donkere energie echt te begrijpen.
Onze beste theorie voor w voorspelt dat het precies min één moet zijn (w=-1). Deze voorspelling gaat er ook van uit dat donkere energie de kosmologische constante is die Einstein voorstelde.
Meer informatie:
Het Euclid-ruimteschip zal onze kijk op het ‘donkere heelal’ veranderen
Verwachtingen ondermijnen
Een toestandsvergelijking van min één vertelt ons dat naarmate de energiedichtheid van donkere energie toeneemt, ook de negatieve druk toeneemt. Hoe meer energiedichtheid in het universum, hoe meer afstoting er is – met andere woorden, materie duwt tegen andere materie. Dit leidt tot een steeds groter wordend, versnellend heelal. Het klinkt misschien een beetje bizar, omdat het tegenintuïtief is aan alles wat we op aarde ervaren.
Het werk maakt gebruik van de meest directe sonde die we hebben over de uitdijingsgeschiedenis van het heelal: Type Ia supernovae. Dit is een type sterexplosie en ze fungeren als een soort kosmische meetlat, waarmee we duizelingwekkend grote afstanden tot ver in het heelal kunnen meten. Deze afstanden kunnen vervolgens worden vergeleken met onze verwachtingen. Dit is dezelfde techniek die 25 jaar geleden werd gebruikt om het bestaan van donkere energie te ontdekken.
Het verschil zit nu in de grootte en kwaliteit van onze steekproef van supernovae. Met behulp van nieuwe technieken heeft het DES-team 20 keer meer gegevens over een groot aantal afstanden. Dit maakt een van de nauwkeurigste metingen van w ooit mogelijk, met een waarde van -0,8
Op het eerste gezicht is dit niet de precieze min één waarde die we voorspelden. Dit zou erop kunnen wijzen dat het niet de kosmologische constante is. De onzekerheid op deze meting is echter groot genoeg om min één toe te staan bij een kans van 5%, of een gokkans van slechts 20 tegen 1. Dit onzekerheidsniveau is nog niet goed genoeg om te zeggen hoe het zit, maar het is een uitstekend begin.
De detectie van het subatomaire deeltje Higgs Boson in 2012 bij de Large Hadron Collider vereiste een kans van een miljoen tegen een dat het fout zou zijn. Deze meting kan echter het einde betekenen van “Big Rip” modellen die toestandsvergelijkingen hebben die negatiever zijn dan één. In zulke modellen zou het universum oneindig en steeds sneller uitdijen – en uiteindelijk sterrenstelsels, planetenstelsels en zelfs de ruimtetijd zelf uit elkaar trekken. Dat is een opluchting.
Zoals gewoonlijk willen wetenschappers meer gegevens en die plannen zijn al in volle gang. De DES-resultaten suggereren dat onze nieuwe technieken zullen werken voor toekomstige supernova-experimenten met ESA’s Euclid-missie (gelanceerd in juli 2023) en het nieuwe Vera Rubin Observatorium in Chili. Dit observatorium zal binnenkort zijn telescoop gebruiken om een eerste beeld van de hemel te maken na de bouw, wat een tipje van de sluier oplicht van zijn mogelijkheden.
Deze telescopen van de volgende generatie kunnen nog duizenden supernovae vinden, ons helpen nieuwe metingen van de toestandsvergelijking te doen en nog meer licht werpen op de aard van donkere energie.
Robert Nichol is lid van de Dark Energy Survey-samenwerking.
