NASA
De Euclid-missie van het Europees Ruimteagentschap (Esa) zal op 1 juli, of kort daarna, de ruimte in gaan met een Falcon9-raket van SpaceX. Velen van ons die eraan gewerkt hebben zullen in Florida zijn om de zenuwslopende gebeurtenis bij te wonen.
De missie is speciaal ontworpen om het donkere universum te bestuderen, door zowel “donkere materie” als “donkere energie” te onderzoeken – onbekende substanties waarvan gedacht wordt dat ze 95% van de energiedichtheid van het universum vormen.
Maar het zal ook in staat zijn om een aantal vreemde, alternatieve modellen van de zwaartekracht te testen – mogelijk een uitdaging voor Albert Einstein’s grote algemene relativiteitstheorie.
Wetenschappers weten al bijna een eeuw van het bestaan van donkere materie. Het werd voorgesteld nadat astronomen opmerkten dat sterrenstelsels in clusters mysterieus hoge snelheden hadden. Zulke snelheden zouden de clusters moeten doen verdampen, tenzij er wat extra massa was die ze bij elkaar hield. Omdat deze materie niet op dezelfde manier oplichtte als de zichtbare sterrenstelsels, werd het donkere materie genoemd.
Gravitationele lensvorming is een nieuw hulpmiddel om deze donkere materie te zien. Dit effect is gebaseerd op ons begrip van algemene relativiteit. Als licht van verre sterrenstelsels naar ons toe reist, wordt zijn pad afgebogen door grote klonten materie (donker of helder) op de voorgrond – waardoor hun uiterlijk (en locatie) verandert.
Deze verandering is goed te zien in de buurt van de kernen van massieve clusters (zie de afbeelding hieronder) – met sterrenstelsels die in bogen worden uitgerekt en lang, dun en gebogen lijken. We kunnen deze kromming gebruiken om de hoeveelheid materie in de voorgrondcluster te bepalen. En dat bevestigt opnieuw dat een groot deel van de massa in deze clusters inderdaad donker is.
Gravitationele lensing in de melkwegcluster Abell 1689.
NASA/CXC/MIT/E.-H Peng et al; Optisch: NASA/STScI
Maar waar kan het van gemaakt zijn? Veel natuurkundigen denken dat het een onbekend elementair deeltje is. Een populaire kandidaat, die nog moet worden gedetecteerd, zijn axionen, die oorspronkelijk werden geïntroduceerd om te verklaren waarom bepaalde fundamentele symmetrieën van de natuur gebroken lijken te zijn.
Er zijn echter andere mogelijkheden. In plaats van te veronderstellen dat er donkere materie nodig is, kan men de zwaartekracht onderzoeken. De zwaartekracht kan zwakker worden dan voorspeld op de schaal van sterrenstelsels en daarbuiten. Op deze schalen zijn er enkele alternatieve zwaartekrachtmodellen die de rotatiecurves van sterrenstelsels kunnen verklaren zonder aan te nemen dat er donkere materie is. De uitdaging voor elk van deze alternatieven is om dit consistent op alle schalen te doen.
Hoewel er verschillende aardse zoektochten zijn naar donkere materiedeeltjes, hebben deze tot nu toe geen significant bewijs gevonden. Daarom blijven astronomische observaties van melkwegclusters onze beste optie voor het testen van de verschillende theorieën die donkere materie kunnen verklaren. Dit is waar Euclid in uitblinkt dankzij zijn uitstekende resolutie, die een scherpte biedt die vergelijkbaar is met die van de Hubble ruimtetelescoop (zie afbeelding) over een derde van de hemel. Ter vergelijking: Hubble heeft slechts 5% van de hele hemel geobserveerd.
Het aantal beelden dat we van clusters zullen krijgen zal met Euclides honderdvoudig toenemen, waardoor we de verdeling van donkere materie binnen zulke clusters tot in detail en met hoge precisie kunnen bestuderen. Hoe de donkere materie is verdeeld, kan de sleutel zijn tot de oorsprong en massa ervan, waarbij een reeks mogelijke kandidaat-deeltjes en zwaartekrachttheorieën kan worden uitgesloten.
Donkere energie en zwaartekracht
Donkere materie is mogelijk eenvoudig te begrijpen in vergelijking met donkere energie, die werd voorgesteld om de ontdekking te verklaren dat de uitdijing van het heelal versnelt – in tegenstelling tot de voorspelling van Einsteins zwaartekrachttheorie. Deze vreemde substantie is een bron van ergernis voor natuurkundigen en kosmologen. Het eenvoudigste idee is dat donkere energie gewoon de energie van de lege ruimte is (“vacuümenergie”).
Het komt erop neer dat als we meer ruimte krijgen in een uitdijend heelal, we meer vacuümenergie krijgen, die vervolgens de waargenomen versnelling aandrijft.
Deze eenvoudige verklaring is redelijk, behalve voor de ongemakkelijke waarheid dat de waargenomen dichtheid van donkere energie vele orden van grootte lager is dan voorspeld door de kwantumtheorie, die het universum regeert op de kleinste schaal. Kortom, deze eenvoudige verklaring stelt meer vragen dan ze beantwoordt.
Net als bij donkere materie is een alternatieve verklaring voor donkere energie dat het eigenlijk helemaal geen substantie of vorm van energie is, maar opnieuw een teken dat de zwaartekracht zich anders gedraagt op de grootste schalen.
Dit heeft geleid tot een stroom van nieuwe ideeën die onze zwaartekrachtstheorie verder uitbreiden dan algemene relativiteit. Zou zwaartekracht bijvoorbeeld kunnen bestaan in meer dan de vier dimensies (drie ruimtelijke dimensies plus tijd) die de rest van het universum ervaart? Zijn er nieuwe fundamentele velden die we nog niet kennen en die een wisselwerking hebben met de zwaartekracht?
Of misschien is Einsteins theorie geldig voor de zwakke zwaartekrachtvelden die we op Aarde ervaren, maar wordt deze radicaal anders in extreem sterke zwaartekrachtvelden, zoals die bij de waarnemingshorizonten van zwarte gaten.
De uitdaging voor al deze alternatieve zwaartekrachtmodellen is om samen te werken, voor zowel donkere materie als donkere energie. Idealiter zouden ze op alle schalen en massa’s moeten werken, als één enkele theorie. Natuurkundigen geloven sterk in het scheermes van Occam – dat de beste theorieën het minste aantal aannames hebben.
Euclides zal ons helpen om deze exotische zwaartekrachtmodellen te testen door de posities van miljoenen sterrenstelsels in kaart te brengen over uitgestrekte gebieden van het heelal. Hierdoor kunnen we het “kosmische web” traceren, een sponsachtige structuur van filamenten en leegtes in de ruimte. Deze lijken eerst in donkere materie te zijn neergelegd en vervolgens met sterrenstelsels te zijn bestrooid.
Dit kosmische web is gevormd door miljarden jaren van zwaartekrachtinstorting, wat betekent dat de structuur en statistieken gevoelig zijn voor de zwaartekrachtwetten die op kosmologische schalen werken. Door de eigenschappen te meten, kunnen we bepalen of een nieuwe zwaartekrachtstheorie beter bij de gegevens past dan Einsteins theorie.
Nu we terugkeren naar de aarde, is er veel opwinding in de astrofysicagemeenschap over wat Euclides gaat doen. Dit is de eerste keer dat we een satelliet hebben die zich richt op het in kaart brengen van donkere materie en donkere energie.
De gegevens van Euclid zullen een leven lang meegaan en generaties kosmologen zullen er hun carrière aan wijden om ze te bestuderen. Terwijl we kijken naar de lancering van Euclid in de lucht van Florida, zijn we een stap dichter bij het beantwoorden van enkele van de meest fundamentele vragen in de wetenschap.
Robert Nichol heeft in het verleden financiering ontvangen voor zijn werk aan Euclides en blijft lid van de Euclid Consortium Board.
Tessa Baker ontvangt financiering van de Royal Society en de European Research Council.
