De uitdijingssnelheid van het heelal, de zogeheten hubbleconstante, is al jaren een van de meest bediscussieerde getallen in de kosmologie. Nieuw onderzoek brengt het definitief vaststellen van deze constante dichterbij dan ooit.
Onderzoekers hebben een flinke stap gezet in de richting van een oplossing voor een van de grootste kosmische mysteries die er zijn. De hubbleconstante is het getal dat aangeeft hoe snel het heelal uitdijt. Sterrenkundigen worstelen al jaren met de vraag wat de waarde van deze constante is. Verschillende metingen leveren namelijk verschillende getallen op. Nu lijken de twee belangrijkste methoden om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten bij elkaar te komen. De eerste manier om de hubbleconstante te meten, is gebaseerd op minuscule lokale variaties in de kosmische achtergrondstraling, de ‘restwarmte’ van de oerknal. Deze variaties kunnen, samen met ons theoretische model van de kosmos, worden gebruikt om de huidige uitdijingssnelheid van het heelal te berekenen. Deze methode geeft een hubbleconstante van 67 kilometer per seconde per megaparsec: de uitdijingssnelheid neemt daarbij met 67 kilometer per seconde toe, voor elke megaparsec afstand tot de aarde (1 megaparsec is ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar). De andere methode wordt de lokale afstandsladder genoemd. Hierbij worden objecten op verschillende afstanden van de aarde – verschillende ‘sporten’ van de ladder – gebruikt om de uitdijing te meten van het gebied in de ruimte dat relatief dicht bij ons is. De twee belangrijkste soorten objecten op de ladder zijn de Cepheïden, een bepaald type ster, en type Ia-supernova’s, een soort sterexplosies. Van deze objecten weten we heel precies hoe helder ze schijnen. Deze helderheid kunnen we vergelijken met hun zogeheten schijnbare helderheid – hoe helder wij ze op aarde zien – om te bepalen hoe ver weg ze van ons staan. De lokale afstandsladder geeft een hubbleconstante van ongeveer 73 kilometer per seconde per megaparsec. Het verschil tussen de twee metingen wordt de hubblespanning genoemd. ‘Mijn grote zorg was dat, wanneer je maar één methode gebruikt, je geen manier hebt om vast te stellen wat de systematische onzekerheden in die methode zijn’, zegt astronoom Wendy Freedman van de Universiteit van Chicago.
Meer laddersporten
Freedman en haar collega’s hebben de James Webb-ruimtelescoop gebruikt om twee methoden aan de lokale afstandsladder toe te voegen. Ze hebben twee andere soorten sterren geobserveerd: koolstofsterren en zogeheten top-van-de-rode-reuzentak-sterren. Ook deze twee hebben een goed voorspelbare helderheid, afhankelijk van hun massa. De onderzoekers gebruikten James Webb ook om nog meer Cepheïden te bekijken. Daarnaast analyseerden ze alle archiefgegevens van de Hubble-ruimte-telescoop die eerder zijn gebruikt voor metingen van de lokale afstandsladder. Met behulp van deze nauwkeurigere afstandsladder berekenden ze een hubble-constante van ongeveer 69 kilometer per seconde per megaparsec. Dat komt overeen met de achtergrondstralingmetingen. ‘Het verschil tussen een hubbleconstante van 73 en 69 lijkt misschien klein, maar het is echt belangrijk om dit soort dingen nauwkeurig vast te pinnen,’ zegt Freedman. Freedman presenteerde het onderzoek op 6 april tijdens een bijeenkomst van de American Physical Society in Californië. ‘Deze veel nauwkeurigere gegevens wijzen erop dat we geen nieuwe fysica nodig hebben om de hubblespanning op te lossen,’ zegt Freedman. ‘We komen eindelijk dichter bij elkaar. Het is echt opwindend.’
Niet alle kosmologen zijn het erover eens dat de oplossing gevonden is. ‘Als de hubblespanning verdwijnt, is dat heel belangrijk. Het zou betekenen dat onze van-begin-tot-eindtest van de kosmologie eindelijk slaagt,’ zegt kosmoloog Daniel Scolnic van de Duke-universiteit in de Verenigde Staten. ‘Maar… het voelt niet alsof dat de situatie is waarin we ons nu bevinden.’ Scolnic wijst erop dat het aantal sterrenstelsels dat met James Webb is waargenomen relatief klein is. Bovendien komen andere groepen op basis van de James Webb-gegevens juist op een hogere hubbleconstante uit. Astronoom Adam Riess van de Johns Hopkins-universiteit in de VS, het hoofd van een van die groepen, is ook sceptisch. ‘De hubblespanning is niet veranderd, het verschil ligt in de manier waarop we supernova’s analyseren. Dat verschil wordt veroorzaakt door het gemeten verschil in de hubbleconstante,’ zegt hij. ‘Ik denk niet dat het eerlijk of nauwkeurig is om de grootte van de spanning te bepalen aan de hand van alleen de laagste of hoogste meting.’ De getallen komen erg dicht bij elkaar te liggen, erkent astronoom Rocky Kolb van de Universiteit van Chicago. ‘Er is geen haalbare verklaring om de spanning op te lossen, als die er al is.’ Kolb vermoedt dat één groep zijn fouten onderschat.
Binnen de marges
Feit blijft dat het moeilijk is om de huidige kosmologische modellen te rijmen met de hogere hubbleconstante die gevonden is bij eerdere metingen van de lokale afstandsladder, zegt astronoom Lloyd Knox van de Universiteit van Californië. ‘Deze nieuwe resultaten lijken een grote stap in de richting van een oplossing’, zegt hij. Freedman en haar collega’s zijn nog niet klaar met het berekenen van de onzekerheden van hun meting. Op dit moment valt hun hubbleconstante binnen de marges van de hubbleconstante die volgt uit de achtergrondstraling, maar ook binnen de marges van de eerdere metingen met de afstandsladder. Er zijn meer verschillende methoden nodig om de hubblespanning echt vast te stellen, zegt Freedman. ‘Is dit het einde van de spanning? Niets sterft zo gemakkelijk. Maar deze gegevens wijzen wel die kant op.’
