Astronomen over de hele wereld zijn een beetje tizzy omdat ze het niet eens kunnen worden over hoe snel het universum uitdijt.
Sinds ons universum te voorschijn kwam uit een explosie van een klein stipje van oneindige dichtheid en zwaartekracht, is het aan het ballonvaren, en ook niet in een gestaag tempo - de uitdijing van het universum wordt steeds sneller.
Maar hoe snel het groeit, is een duizelingwekkend debat geworden. Metingen van deze uitbreidingssnelheid van nabijgelegen bronnen lijken in strijd te zijn met dezelfde meting van verre bronnen. Een mogelijke verklaring is dat er in feite iets funky aan de hand is in het universum, waardoor de uitbreidingssnelheid verandert.
En een theoreticus heeft voorgesteld dat er een gloednieuw deeltje is opgekomen dat de toekomstige bestemming van onze hele kosmos verandert.
Hubble, Hubble, zwoegen en problemen
Astronomen hebben meerdere slimme manieren bedacht om te meten wat ze de Hubble-parameter of Hubble-constante noemen (aangeduid voor de mensen met een druk leven als H0). Dit getal vertegenwoordigt de uitbreidingssnelheid van het universum vandaag.
Een manier om het uitzettingspercentage vandaag te meten, is door te kijken naar nabijgelegen supernova's, de explosie van gas en stof die na hun dood door de grootste sterren van het universum wordt gelanceerd. Er is een bepaald soort supernova met een zeer specifieke helderheid, dus we kunnen vergelijken hoe helder ze eruit zien met hoe helder we weten dat ze zouden moeten zijn en de afstand berekenen. Vervolgens kunnen astrofysici door te kijken naar het licht van het gaststelsel van de supernova, ook berekenen hoe snel ze van ons weggaan. Door alle stukjes bij elkaar te voegen, kunnen we vervolgens de uitbreidingssnelheid van het universum berekenen.
Maar er is meer in het universum dan exploderende sterren. Er is ook iets dat de kosmische microgolfachtergrond wordt genoemd, het overgebleven licht van net na de oerknal, toen ons universum nog maar een baby was, slechts 380.000 jaar oud. Met missies zoals de Planck-satelliet die deze overblijvende straling in kaart moet brengen, hebben wetenschappers ongelooflijk nauwkeurige kaarten van deze achtergrond, die kunnen worden gebruikt om een zeer nauwkeurig beeld te krijgen van de inhoud van het universum. En vanaf daar kunnen we die ingrediënten gebruiken en de klok vooruit laten lopen met computermodellen en kunnen zeggen wat de uitbreidingssnelheid vandaag zou moeten zijn - ervan uitgaande dat de fundamentele ingrediënten van het universum sindsdien niet zijn veranderd.
Deze twee schattingen zijn het niet eens genoeg om mensen een beetje bang te maken dat we iets missen.
Kijk naar de donkere kant
Misschien zijn een of beide metingen onjuist of onvolledig; veel wetenschappers aan weerszijden van het debat gooien de juiste hoeveelheid modder naar hun tegenstanders. Maar als we aannemen dat beide metingen nauwkeurig zijn, dan hebben we iets anders nodig om de verschillende metingen uit te leggen. Aangezien een meting afkomstig is uit het zeer vroege universum en een andere uit een relatief recente tijd, is de gedachte dat misschien een nieuw ingrediënt in de kosmos de expansiesnelheid van het universum verandert op een manier die we niet al in onze modellen.
En wat de uitbreiding van het universum vandaag domineert, is een mysterieus fenomeen dat we donkere energie noemen. Het is een geweldige naam voor iets dat we in principe niet begrijpen. Alles wat we weten is dat de expansiesnelheid van het universum vandaag versnelt en we noemen de kracht die deze versnelling aandrijft 'donkere energie'.
In onze vergelijkingen van het jonge universum naar het huidige universum gaan natuurkundigen ervan uit dat donkere energie (wat het ook is) constant is. Maar met deze aanname hebben we de huidige onenigheid, dus misschien verandert de donkere energie.
Ik denk dat het een kans waard is. Laten we aannemen dat donkere energie verandert.
Wetenschappers hebben een stiekem vermoeden dat donkere energie iets te maken heeft met de energie die is opgesloten in het vacuüm van de ruimtetijd zelf. Deze energie komt uit alle 'kwantumvelden' die het universum doordringen.
In de moderne kwantumfysica is elk soort deeltje gebonden aan zijn eigen specifieke veld. Deze velden spoelen door heel de tijd en soms worden delen van de velden op sommige plaatsen echt opgewonden en worden ze de deeltjes die we kennen en waar we van houden - zoals elektronen en quarks en neutrino's. Dus alle elektronen behoren tot het elektronenveld, alle neutrino's behoren tot het neutrinoveld, enzovoort. De interactie van deze velden vormt de fundamentele basis voor ons begrip van de kwantumwereld.
En waar je ook gaat in het universum, je kunt niet ontsnappen aan de kwantumvelden. Zelfs als ze niet genoeg trillen op een bepaalde locatie om een deeltje te maken, zijn ze er nog steeds, wiebelen en trillen en doen ze hun normale kwantumding. Deze kwantumvelden hebben dus een fundamentele hoeveelheid energie, zelfs in het kale lege vacuüm zelf.
Als we de exotische kwantumenergie van het vacuüm van ruimte-tijd willen gebruiken om donkere energie te verklaren, komen we meteen in de problemen. Wanneer we een aantal zeer eenvoudige, zeer naïeve berekeningen uitvoeren van hoeveel energie er in het vacuüm is vanwege alle kwantumvelden, krijgen we een getal dat ongeveer 120 ordes van grootte sterker is dan wat we waarnemen dat donkere energie is. Oeps.
Aan de andere kant, als we wat meer geavanceerde berekeningen proberen, krijgen we een getal dat nul is. Die is het ook niet eens met de gemeten hoeveelheid donkere energie. Oeps weer.
Dus wat er ook gebeurt, we hebben het heel moeilijk om donkere energie te begrijpen door de taal van de vacuümenergie van de ruimtetijd (de energie die door die kwantumvelden wordt gecreëerd). Maar als deze metingen van de uitbreidingssnelheid nauwkeurig zijn en donkere energie echt aan het veranderen is, dan zou dit ons een idee kunnen geven van de aard van die kwantumvelden. Concreet, als donkere energie verandert, betekent dit dat de kwantumvelden zelf zijn veranderd.
Er verschijnt een nieuwe vijand
In een recent artikel dat online is gepubliceerd in het preprint-tijdschrift arXiv, heeft theoretisch natuurkundige Massimo Cerdonio van de Universiteit van Padova de hoeveelheid verandering in de kwantumvelden berekend die nodig is om rekening te houden met de verandering in donkere energie.
Als er een nieuw kwantumveld is dat verantwoordelijk is voor de verandering in donkere energie, betekent dit dat er een nieuw deeltje is in het universum.
En de hoeveelheid verandering in donkere energie die Cerdonio heeft berekend, vereist een bepaald soort deeltjesmassa, die ongeveer dezelfde massa blijkt te zijn van een nieuw soort deeltje dat al is voorspeld: het zogenaamde axion. Natuurkundigen hebben dit theoretische deeltje uitgevonden om enkele problemen op te lossen met ons kwantumbegrip van de sterke kernkracht.
Dit deeltje verscheen vermoedelijk in het zeer vroege heelal, maar heeft op de achtergrond "op de loer" gelegen terwijl andere krachten en deeltjes de richting van het heelal beheersten. En nu is het de beurt aan de axion ...
Toch hebben we nog nooit een axion gedetecteerd, maar als deze berekeningen correct zijn, betekent dat dat de axion daarbuiten is en het universum en zijn kwantumveld vult. Ook maakt deze hypothetische axion zichzelf al merkbaar door de hoeveelheid donkere energie in de kosmos te veranderen. Het kan dus zijn dat, hoewel we dit deeltje nog nooit in het laboratorium hebben gezien, het ons universum al op de grootste schaal verandert.
