We hebben iets mis met het universum.
Het kan iets kleins zijn: een meetprobleem waardoor bepaalde sterren dichterbij of verder weg lijken dan ze zijn, iets dat astrofysici met een paar kleine aanpassingen zouden kunnen oplossen in hoe ze afstanden over de ruimte meten. Het kan iets groots zijn: een fout - of reeks fouten - in de kosmologie, of ons begrip van de oorsprong en evolutie van het universum. Als dat het geval is, kan onze hele geschiedenis van ruimte en tijd in de war raken. Maar wat het probleem ook is, het zorgt ervoor dat de belangrijkste waarnemingen van het universum het niet met elkaar eens zijn: gemeten op één manier lijkt het universum met een bepaalde snelheid uit te breiden; op een andere manier gemeten, lijkt het heelal met een ander tempo uit te breiden. En, zoals een nieuw artikel laat zien, zijn die verschillen de afgelopen jaren groter geworden, ook al zijn de metingen nauwkeuriger geworden.
"We denken dat als ons begrip van de kosmologie correct is, al deze verschillende metingen ons hetzelfde antwoord zouden moeten geven", zegt Katie Mack, een theoretische kosmoloog aan de North Carolina State University (NCSU) en co-auteur van het nieuwe artikel .
De twee bekendste metingen werken heel verschillend van elkaar. De eerste is gebaseerd op de Cosmic Microwave Background (CMB): de overgebleven microgolfstraling van de eerste ogenblikken na de oerknal. Kosmologen hebben theoretische modellen van de hele geschiedenis van het universum gebouwd op een CMB-basis - modellen waar ze veel vertrouwen in hebben, en daarvoor zou een geheel nieuwe fysica nodig zijn. En samen genomen, zei Mack, produceren ze een redelijk nauwkeurig getal voor de Hubble-constante, of H0, die bepaalt hoe snel het universum zich momenteel uitbreidt.
De tweede meting maakt gebruik van supernova's en flitsende sterren in nabijgelegen sterrenstelsels, bekend als Cepheids. Door te meten hoe ver die sterrenstelsels van de onze verwijderd zijn en hoe snel ze van ons weggaan, hebben astronomen naar hun mening een zeer nauwkeurige meting van de Hubble-constante gekregen. En die methode biedt een andere H0.
"Als we verschillende antwoorden krijgen, betekent dit dat we iets niet weten," vertelde Mack aan WordsSideKick.com. "Dus dit gaat eigenlijk niet alleen om het begrijpen van de huidige expansiesnelheid van het universum - iets waar we in geïnteresseerd zijn - maar om te begrijpen hoe het universum is geëvolueerd, hoe de expansie is geëvolueerd en wat ruimte-tijd dit alles heeft gedaan tijd."
Weikang Lin, ook een kosmoloog bij NCSU en hoofdauteur van de paper, zei dat het team, om een volledig beeld van het probleem te krijgen, besloot om alle verschillende manieren om H0 op één plek te "beperken". De paper is nog niet formeel door vakgenoten beoordeeld of gepubliceerd en is beschikbaar op de preprint-server arXiv.
Dit is wat "beperken" betekent: Metingen in de natuurkunde leveren zelden exacte antwoorden op. In plaats daarvan stellen ze grenzen aan het scala aan mogelijke antwoorden. En door samen naar deze beperkingen te kijken, kun je veel leren over iets dat je bestudeert. Als je bijvoorbeeld door één telescoop kijkt, leer je misschien dat een lichtpunt in de ruimte rood, geel of oranje is. Een ander kan je vertellen dat het helderder is dan de meeste andere lampen in de ruimte, maar minder fel dan de zon. Een ander kan je vertellen dat het zo snel als een planeet door de lucht beweegt. Geen van die beperkingen zou op zichzelf veel zeggen, maar bij elkaar genomen suggereren ze dat je naar Mars kijkt.
Lin, Mack en hun derde co-auteur, NCSU-afgestudeerde student Liqiang Hou, keken naar de beperkingen van twee constanten: H0 en iets dat de "massafractie" van het universum wordt genoemd, aangeduid als Ωm, wat je vertelt hoeveel van het universum is energie, en hoeveel is materie. Veel metingen van H0 beperken ook Ωm, zei Lin, dus het is handig om ze samen te bekijken.
Dat leverde dit kleurrijke plot op:
Het uitgerekte magenta ovaal gelabelde WMAP is het bereik van mogelijke massafracties en Hubble-constanten dat vroeger mogelijk was op basis van een grote eerdere NASA-studie van de CMB, bekend als de Wilkinson-microgolfanisotropiesonde. De gele kolom met het label CV SN (afkorting van "Cepheid-Calibrated Type-Ia Supernovae") verwijst naar de Cepheid-supernova-metingen, die niet de massafractie van het universum beperken, maar wel H0. De rode balk met het label SN P (afkorting van "Type-Ia Supernovae Pantheon") is een grote beperking voor de massafractie van het universum.
Je kunt zien dat de randen van WMAP en CV SN elkaar overlappen, meestal buiten de rode balk. Dat was het beeld van de discrepantie een paar jaar geleden, zei Mack: Significant genoeg om bang te zijn dat de twee metingen verschillende antwoorden opleverden, maar niet zo belangrijk dat ze onverenigbaar waren met een kleine aanpassing.
Maar de afgelopen jaren is er een nieuwe meting van de CMB geweest van een groep genaamd de Planck Collaboration. De Planck-samenwerking, die in 2018 zijn nieuwste dataset uitbracht, legde zeer strikte beperkingen op aan de massafractie en expansiesnelheid van het universum, aangegeven door de zwarte strook op de plot met het label Planck.
Nu, schreven de auteurs, verschijnen er twee totaal verschillende afbeeldingen van het universum. Planck en WMAP - samen met een reeks andere benaderingen om H0 en Ωm te beperken - zijn allemaal min of meer compatibel. Er is een plaats op het perceel, in de cirkel van witte streepjes, waar ze allemaal vergelijkbare antwoorden mogelijk maken over hoe snel het universum uitdijt en hoeveel ervan uit materie bestaat. Je kunt zien dat bijna alle vormen op de plot door die cirkel gaan.
Maar de meest directe meting, gebaseerd op het feitelijk onderzoeken hoe ver dingen in ons lokale universum zijn en hoe snel ze bewegen, is het daar niet mee eens. De Cepheid-meting is helemaal rechts, en zelfs niet de foutbalken (de vage gele stukjes, die het bereik van waarschijnlijke waarden aanduiden) passeren de gestreepte cirkel. En dat is een probleem.
'Er is de afgelopen maanden veel activiteit op dit gebied geweest', zegt Risa Wechsler, een kosmoloog aan de Stanford University die niet bij deze paper betrokken was. "Het is dus heel leuk om alles samen te zien. Het in kaart brengen in termen van H0 en Ωm, fundamentele parameters, is echt verhelderend."
Toch vertelde Wechsler aan WordsSideKick.com, het is belangrijk om niet tot conclusies te springen.
'Mensen zijn hier enthousiast over omdat het zou kunnen betekenen dat er nieuwe fysica is, en dat zou heel spannend zijn', zei ze.
Het is mogelijk dat het CMB-model op de een of andere manier gewoon verkeerd is, en dat leidt tot een soort van systematische fout in hoe natuurkundigen het universum begrijpen.
'Iedereen zou dat geweldig vinden. Natuurkundigen houden ervan hun modellen te breken', zei Wechsler. "Maar dit model werkt tot nu toe redelijk goed, dus mijn voorganger is dat er behoorlijk sterk bewijs moet zijn om me te overtuigen."
De studie toont aan dat het moeilijk zou zijn om de Cepheid-meting uit het lokale universum te matchen met alle andere door slechts één nieuw stuk natuurkunde te introduceren, zei Mack.
Het is mogelijk, zei Mack, dat de berekening van supernova's en cepheid gewoon verkeerd is. Misschien meten natuurkundigen afstanden in ons lokale universum verkeerd, en dat leidt tot een verkeerde berekening. Het is moeilijk voor te stellen wat die misrekening zou zijn, zei ze. Veel astrofysici hebben vanaf het begin lokale afstanden gemeten en hebben vergelijkbare resultaten opgeleverd. Een mogelijkheid die de auteurs naar voren brachten, is gewoon dat we in een raar deel van het universum leven waar minder sterrenstelsels en minder zwaartekracht zijn, dus onze buurt breidt zich sneller uit dan het universum als geheel.
Het antwoord op het probleem, zei ze, zou om de hoek kunnen liggen. Maar waarschijnlijker is het jaren of decennia verwijderd.
'Het is iets nieuws in het universum of het is iets dat we niet begrijpen over onze metingen', zei ze.
Wechsler zei dat ze op het laatste zou wedden - dat er waarschijnlijk iets niet helemaal klopt met de foutbalken rond sommige van de betrokken metingen, en dat als die eenmaal zijn opgelost, de foto beter in elkaar zal passen.
Komende metingen kunnen de tegenstrijdigheid verduidelijken - hetzij door het weg te verklaren of te verhogen, wat suggereert dat een nieuw natuurkundeveld nodig is. De Large Synoptic Survey Telescope, die naar verwachting in 2020 online komt, zou honderden miljoenen supernova's moeten vinden, die de datasets die astrofysici gebruiken om de afstanden tussen sterrenstelsels te meten, enorm zouden moeten verbeteren. Uiteindelijk, zei Mack, zullen gravitatiegolfstudies goed genoeg worden om ook de uitdijing van het universum te beperken, wat een nieuw niveau van precisie zou moeten toevoegen aan de kosmologie. Onderweg, zei ze, zouden natuurkundigen misschien zelfs instrumenten ontwikkelen die gevoelig genoeg zijn om te zien hoe objecten in realtime van elkaar uitzetten.
Maar voorlopig wachten kosmologen nog steeds en vragen zich af waarom hun metingen van het universum samen niet logisch zijn.
