Waarom breidt het universum zich versneld uit en verspreidt het zijn inhoud over steeds grotere dimensies van de ruimte? Een originele oplossing voor deze puzzel, zeker de meest fascinerende vraag in de moderne kosmologie, werd naar voren gebracht door vier theoretische natuurkundigen, Edward W. Kolb van het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy, Chicago (VS): Sabino Matarrese van de University of Padova; Alessio Notari van de Universiteit van Montreal (Canada); en Antonio Riotto van INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) van Padova (Italië). Hun onderzoek is gisteren ingediend bij het tijdschrift Physical Review Letters.
In de afgelopen honderd jaar is de expansie van het universum onderwerp geweest van gepassioneerde discussies, waarbij de meest briljante geesten van de eeuw zijn betrokken. Net als zijn tijdgenoten dacht Albert Einstein aanvankelijk dat het universum statisch was: dat het zich niet uitbreidde of kromp. Toen zijn eigen Theory of General Relativity duidelijk aantoonde dat het universum zou moeten uitbreiden of krimpen, koos Einstein ervoor om een nieuw ingrediënt in zijn theorie te introduceren. Zijn 'kosmologische constante' vertegenwoordigde een massadichtheid van lege ruimte die het universum ertoe aanzette om zich steeds sneller uit te breiden.
Toen Edwin Hubble in 1929 bewees dat het universum in feite aan het uitbreiden is, verwierp Einstein zijn kosmologische constante en noemde het 'de grootste blunder van mijn leven'. Bijna een eeuw later wisten natuurkundigen de kosmologische constante op te wekken in een variant die donkere energie wordt genoemd. In 1998 toonden observaties van zeer ver verwijderde supernova's aan dat het heelal zich in versneld tempo uitbreidt. Deze versnellende expansie leek alleen te verklaren door de aanwezigheid van een nieuwe component van het universum, een 'donkere energie', die ongeveer 70 procent van de totale massa van het universum vertegenwoordigt. Van de rest lijkt ongeveer 25 procent de vorm te hebben van een ander mysterieus onderdeel, donkere materie; terwijl slechts ongeveer 5 procent gewone materie omvat, die quarks, protonen, neutronen en elektronen waaruit wij en de sterrenstelsels zijn gemaakt.
"De hypothese van donkere energie is buitengewoon fascinerend", legt Antonio Riotto van Padova uit, "maar aan de andere kant vormt het een ernstig probleem. Geen enkel theoretisch model, zelfs niet het modernste, zoals supersymmetrie of snaartheorie, kan de aanwezigheid van deze mysterieuze donkere energie verklaren in de hoeveelheid die onze waarnemingen vereisen. Als donkere energie de omvang had die theorieën voorspellen, zou het universum met zo'n fantastische snelheid zijn uitgegroeid dat het het bestaan van alles wat we in onze kosmos weten, zou hebben voorkomen. '
De vereiste hoeveelheid donkere energie is zo moeilijk te verzoenen met de bekende natuurwetten dat natuurkundigen allerlei exotische verklaringen hebben voorgesteld, waaronder nieuwe krachten, nieuwe dimensies van ruimtetijd en nieuwe ultralichte elementaire deeltjes. Het nieuwe rapport stelt echter geen nieuw ingrediënt voor het heelal voor, alleen een besef dat de huidige versnelling van het heelal een gevolg is van het standaard kosmologische model voor het vroege heelal: inflatie.
"Onze oplossing voor de paradox van het versnellende universum", zegt Riotto, "vertrouwt op de zogenaamde inflatoire theorie, geboren in 1981. Volgens deze theorie ervoer het universum binnen een fractie van een seconde na de oerknal, een ongelooflijk snelle uitbreiding. Dit verklaart waarom ons universum erg homogeen lijkt. Onlangs bevestigden de Boomerang- en WMAP-experimenten, die de kleine fluctuaties in de achtergrondstraling afkomstig van de oerknal maten, de inflatoire theorie.
Er wordt algemeen aangenomen dat tijdens de inflatoire expansie in het begin van de geschiedenis van het universum zeer kleine rimpelingen in de ruimtetijd werden gegenereerd, zoals voorspeld door Einsteins theorie van algemene relativiteitstheorie. Deze rimpelingen werden uitgerekt door de uitdijing van het heelal en strekken zich vandaag ver uit tot voorbij onze kosmische horizon, dat wil zeggen over een gebied dat veel groter is dan het waarneembare heelal, een afstand van ongeveer 15 miljard lichtjaar. In hun huidige paper stellen de auteurs voor dat het de evolutie van deze kosmische rimpelingen is die de waargenomen expansie van het universum vergroot en de versnelling ervan verklaart.
"We realiseerden ons dat je dit nieuwe sleutelingrediënt, de rimpelingen van de ruimtetijd die tijdens het inflatieperiode zijn gegenereerd, gewoon aan Einsteins algemene relativiteitstheorie moet toevoegen om uit te leggen waarom het universum vandaag de dag versnelt", zegt Riotto. 'Het lijkt erop dat de oplossing voor de puzzel van versnelling het universum omvat buiten onze kosmische horizon. Er is geen mysterieuze donkere energie nodig. '
Fermilab's Kolb noemde het voorstel van de auteurs de meest conservatieve verklaring voor het versnellende universum. 'Het vereist alleen een goede verantwoording van de fysieke effecten van de rimpelingen buiten onze kosmische horizon', zei hij.
Met gegevens van aanstaande experimenten kunnen kosmologen het voorstel testen. "Of Einstein gelijk had toen hij de kosmologische constante voor het eerst introduceerde, of dat hij gelijk had toen hij het idee later weerlegde, zal spoedig worden getest door een nieuwe ronde van nauwkeurige kosmologische waarnemingen", zei Kolb. "Dankzij nieuwe gegevens kunnen we binnenkort onderscheid maken tussen onze verklaring voor de versnelde uitdijing van het heelal en de oplossing voor donkere energie."
INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare), het nationale instituut voor kernfysica van Italië, ondersteunt, coördineert en verricht wetenschappelijk onderzoek in de subnucleaire, nucleaire en astrodeeltjesfysica en is betrokken bij de ontwikkeling van relevante technologieën.
Fermilab, in Batavia, Illinois, VS, wordt beheerd door Universities Research Association, Inc. voor het Department of Energy’s Office of Science, dat geavanceerd onderzoek financiert in deeltjesfysica en kosmologie.
Oorspronkelijke bron: Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
