Alles wat we denken te weten over de vorm van het universum, kan verkeerd zijn. In plaats van plat te zijn als een laken, kan ons universum volgens een nieuwe studie gebogen zijn, als een enorme, opgeblazen ballon.
Dat is het resultaat van een nieuw artikel dat vandaag (4 november) is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy, dat kijkt naar gegevens van de kosmische microgolfachtergrond (CMB), de vage echo van de oerknal. Maar niet iedereen is overtuigd; de nieuwe bevindingen, gebaseerd op gegevens die in 2018 zijn vrijgegeven, zijn in tegenspraak met beide jaren van conventionele wijsheid en een andere recente studie op basis van dezelfde CMB-gegevensverzameling.
Als het universum gebogen is, buigt het volgens het nieuwe papier voorzichtig. Die langzame buiging is niet belangrijk om door ons leven, ons zonnestelsel of zelfs onze melkweg te bewegen. Maar reis verder dan dat alles, buiten onze galactische buurt, ver de diepe duisternis in, en uiteindelijk - bewegend in een rechte lijn - loop je rond en kom je precies terug waar je begon. Kosmologen noemen dit idee het 'gesloten universum'. Het bestaat al een tijdje, maar het past niet in de bestaande theorieën over hoe het universum werkt. Het is dus grotendeels verworpen ten gunste van een 'plat universum' dat zich in elke richting zonder grenzen uitstrekt en niet om zichzelf heen draait. Nu biedt een anomalie in gegevens van de beste meting van de CMB ooit solide (maar niet absoluut overtuigend) bewijs dat het universum toch gesloten is, volgens de auteurs: University of Manchester cosmologist Eleonora Di Valentino, Sapienza University of Rome cosmologist Alessandro Melchiorri en Johns Hopkins University kosmoloog Joseph Silk.
Het verschil tussen een gesloten en open universum lijkt een beetje op het verschil tussen een uitgerekte vlakke plaat en een opgeblazen ballon, vertelde Melchiorri aan WordsSideKick.com. In beide gevallen breidt het hele ding zich uit. Wanneer het vel uitzet, beweegt elk punt in een rechte lijn weg van elk ander punt. Wanneer de ballon wordt opgeblazen, wordt elk punt op het oppervlak verder verwijderd van elk ander punt, maar de kromming van de ballon maakt de geometrie van die beweging ingewikkelder.
'Dit betekent bijvoorbeeld dat als je twee fotonen hebt en ze parallel reizen in een gesloten universum, ze elkaar zullen ontmoeten', zei Melchiorri.
In een open, vlak universum zouden de fotonen, ongemoeid gelaten, langs hun parallelle banen reizen zonder ooit interactie te hebben.
Het conventionele model van de inflatie van het universum, zei Melchiorri, suggereert dat het universum plat moet zijn. Spoel de uitbreiding van de ruimte helemaal terug naar het begin, tot de eerste 0,0000000000000000000000001 seconden na de oerknal, volgens dat model, en je zult een moment van ongelooflijke, exponentiële expansie zien naarmate de ruimte groeide uit dat oneindig kleine punt waarin het begon. En de fysica van die supersnelle uitbreiding wijst naar een plat universum. Dat is de eerste reden waarom de meeste experts denken dat het universum plat is, zei hij. Als het universum niet plat is, moet je de fysica van dat oorspronkelijke mechanisme 'afstemmen' om het allemaal in elkaar te laten passen - en talloze andere berekeningen in het proces opnieuw uitvoeren, zei Melchiorri.
Maar dat zou uiteindelijk nodig kunnen zijn, schreven de auteurs in de nieuwe studie.
Dat komt omdat er een anomalie is in de CMB. De CMB is het oudste dat we in het universum zien, gemaakt van omgevingslicht in de microgolfoven dat alle ruimte in beslag neemt wanneer je de sterren en sterrenstelsels en andere interferentie blokkeert. Het is een van de belangrijkste gegevensbronnen over de geschiedenis en het gedrag van het universum, omdat het zo oud is en zo verspreid over de ruimte. En het blijkt, volgens de laatste gegevens, dat er aanzienlijk meer "zwaartekrachtlensing" van de CMB is dan verwacht - wat betekent dat de zwaartekracht de microgolven van de CMB meer lijkt te buigen dan de bestaande fysica kan verklaren.
De gegevens waarop het team put, zijn afkomstig uit een publicatie uit 2018 van het Planck-experiment - een experiment van de Europese Ruimteagentschap (ESA) om de CMB gedetailleerder dan ooit tevoren in kaart te brengen. (De nieuwe gegevens zullen worden gepubliceerd in een aanstaande uitgave van het tijdschrift Astronomy & Astrophysics en zijn nu beschikbaar op de ESA-website. Zowel Di Valentino als Melchiorri maakten ook deel uit van die inspanning.)
Om die extra lensing uit te leggen, heeft de Planck-samenwerking zojuist een extra variabele aangehaald, die de wetenschappers 'A_lens' noemen, naar het groepsmodel van de vorming van het universum: 'Dit is iets dat je daar met de hand hebt geplaatst, in een poging uit te leggen wat Zie je. Er is geen verband met natuurkunde, 'zei Melchiorri, wat betekent dat er geen A_lens-parameter is in Einsteins relativiteitstheorie. 'Wat we hebben gevonden, is dat je A_lens kunt uitleggen met een positief gekromd universum, wat een veel meer fysieke interpretatie is die je kunt uitleggen met algemene relativiteitstheorie.'
Melchiorri wees erop dat de interpretatie van zijn team niet sluitend is. Volgens de berekeningen van de groep wijzen de Planck-gegevens op een gesloten universum met een standaarddeviatie van 3,5 sigma (een statistische meting die ongeveer 99,8% vertrouwen betekent dat het resultaat niet te wijten is aan willekeurige kans). Dat is ver van de 5 sigma-standaardfysici die gewoonlijk zoeken voordat ze een idee bevestigen.
Maar sommige kosmologen zeiden dat er nog meer redenen waren om sceptisch te zijn.
Andrei Linde, een kosmoloog aan de Stanford University, vertelde WordsSideKick.com dat het Nature Astronomy-artikel geen rekening hield met een ander belangrijk artikel, dat op 1 oktober in de arXiv-database was gepubliceerd (dat artikel is nog niet gepubliceerd in een peer-reviewed tijdschrift. )
In dat artikel keken kosmologen van de Universiteit van Cambridge, George Efstathiou en Steven Gratton, die beiden ook aan de Planck-samenwerking werkten, naar een smallere subset van gegevens dan het Nature Astronomy-artikel. Hun analyse ondersteunde ook een krommend universum, maar met veel minder statistisch vertrouwen dan Di Valentino, Melchiorri en Silk ontdekten dat ze naar een groter segment van de Planck-gegevens keken. Toen Efstathiou en Graton echter samen met twee andere bestaande datasets uit het vroege universum naar de gegevens keken, ontdekten ze dat het bewijs in het algemeen naar een plat universum wees.
Gevraagd naar het Efstathiou en Gratton-papier, prees Melchiorri de zorgvuldige behandeling van het werk. Maar hij zei dat de analyse van het duo berust op een te klein deel van de Planck-gegevens. En hij wees erop dat hun onderzoek is gebaseerd op een gewijzigde (en in theorie verbeterde) versie van de Planck-gegevens - niet op de openbare gegevensset die meer dan 600 natuurkundigen hadden doorgelicht.
Linde wees op die heranalyse als een teken dat het artikel van Efstathiou en Gratton op betere methoden was gebaseerd.
Efstathiou vroeg om niet rechtstreeks te worden geciteerd, maar wees er in een e-mail aan WordsSideKick.com op dat als het universum zou worden gekromd, dit een aantal problemen zou opleveren - in tegenspraak met die andere gegevenssets uit het vroege universum en met verschillen in de waargenomen snelheid van het universum uitbreiding veel erger. Gratton zei dat hij het daarmee eens was.
Melchiorri was het er ook over eens dat het model met een gesloten universum een aantal problemen voor de natuurkunde zou opleveren.
'Ik wil niet zeggen dat ik in een gesloten universum geloof', zei hij. 'Ik ben een beetje neutraler. Ik zou zeggen, laten we wachten op de gegevens en wat de nieuwe gegevens zullen zeggen. Wat ik geloof is dat er nu een discrepantie is, dat we voorzichtig moeten zijn en moeten proberen te vinden wat er is waardoor deze discrepantie ontstaat. '
