Er is een raadselachtig mysterie gaande in het universum. Metingen van de snelheid van kosmische expansie met behulp van verschillende methoden blijven tegenstrijdige resultaten opleveren. De situatie wordt een "crisis" genoemd.
Het probleem draait om wat bekend staat als de Hubble-constante. Vernoemd naar de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble, beschrijft deze eenheid hoe snel het universum zich uitbreidt op verschillende afstanden van de aarde. Met behulp van gegevens van de Planck-satelliet van de European Space Agency (ESA) schatten wetenschappers de snelheid op 46.200 km / u per miljoen lichtjaar (of, met behulp van eenheden van kosmologen, 67,4 kilometer / seconde per megaparsec). Maar berekeningen met pulserende sterren genaamd Cepheids suggereren dat het 50.400 mph per miljoen lichtjaar is (73,4 km / s / Mpc).
Als het eerste cijfer juist is, betekent dit dat wetenschappers al tientallen jaren afstanden tot verre objecten in het universum verkeerd meten. Maar als de tweede juist is, moeten onderzoekers misschien het bestaan van exotische, nieuwe fysica accepteren. Astronomen zijn begrijpelijkerwijs behoorlijk opgewonden over deze discrepantie.
Wat moet een leek van deze situatie maken? En hoe belangrijk is dit verschil, dat voor buitenstaanders er klein uitziet? Om tot de bodem van de botsing te komen, schakelde WordsSideKick.com Barry Madore in, een astronoom aan de Universiteit van Chicago en lid van een van de teams die metingen van de Hubble-constante deden.
Het probleem begint bij Edwin Hubble zelf. In 1929 merkte hij op dat verder weg gelegen sterrenstelsels zich sneller van de aarde verwijderden dan hun dichterbij gelegen tegenhangers. Hij vond een lineaire relatie tussen de afstand die een object van onze planeet verwijderd was en de snelheid waarmee het zich terugtrok.
"Dat betekent dat er iets spookachtig aan de hand is," vertelde Madore aan WordsSideKick.com. 'Waarom zouden we het middelpunt van het universum zijn? Het antwoord, dat niet intuïtief is, is dat het niet beweegt. Er ontstaat steeds meer ruimte tussen alles.'
Hubble realiseerde zich dat het universum aan het uitdijen was, en het leek te gebeuren met een constante snelheid - vandaar de Hubble-constante. Hij mat de waarde op ongeveer 342.000 mijl per uur per miljoen lichtjaren (501 km / s / Mpc) - bijna 10 keer groter dan wat momenteel wordt gemeten. In de loop der jaren hebben onderzoekers dat percentage verfijnd.
Eind jaren negentig werd het nog vreemder, toen twee teams van astronomen merkten dat verre supernova's zwakker waren en daarom verder weg dan verwacht, zei Madore. Dit gaf aan dat niet alleen het universum zich uitbreidde, maar ook versnelde in zijn expansie. Astronomen noemden de oorzaak van dit mysterieuze fenomeen donkere energie.
Nadat ze hadden geaccepteerd dat het universum iets vreemds deed, wendden kosmologen zich tot de volgende voor de hand liggende taak: de versnelling zo nauwkeurig mogelijk meten. Door dit te doen, hoopten ze de geschiedenis en evolutie van de kosmos van begin tot eind te volgen.
Madore vergeleek deze taak met het lopen op een renbaan en een glimp opvangen van de paarden die over het veld renden. Kan iemand uit precies dat stukje informatie afleiden waar alle paarden zijn begonnen en wie van hen zou winnen?
Zo'n vraag klinkt misschien onmogelijk om te beantwoorden, maar dat weerhoudt wetenschappers er niet van om het te proberen. De afgelopen tien jaar heeft de Planck-satelliet de kosmische microgolfachtergrond gemeten, een verre echo van de oerknal, die 13 miljard jaar geleden een momentopname is van het jonge universum. Met behulp van de gegevens van het observatorium konden kosmologen met een buitengewoon kleine mate van onzekerheid een getal voor de Hubble-constante vaststellen.
'Het is prachtig', zei Madore. Maar 'het is in tegenspraak met wat mensen de afgelopen 30 jaar hebben gedaan', zei Madore.
Gedurende die drie decennia hebben astronomen ook telescopen gebruikt om naar verre Cepheids te kijken en de Hubble-constante te berekenen. Deze sterren flikkeren met een constante snelheid, afhankelijk van hun helderheid, zodat onderzoekers precies kunnen bepalen hoe helder een cepheid moet zijn op basis van de pulsaties. Door te kijken hoe zwak de sterren eigenlijk zijn, kunnen astronomen een afstand tot hen berekenen. Maar schattingen van de Hubble-constante met Cepheids komen niet overeen met die van Planck.
De discrepantie lijkt misschien vrij klein, maar elk gegevenspunt is vrij nauwkeurig en er is geen overlap tussen hun onzekerheden. De verschillende kanten hebben elkaar met de vingers gewezen en zeiden dat hun tegenstanders fouten hebben opgenomen die hun resultaten kunnen afwerpen, zei Madore.
Maar, voegde hij eraan toe, elk resultaat hangt ook af van grote aantallen aannames. Terugkomend op de analogie van de paardenrace, vergeleek Madore het met het uitzoeken van de winnaar terwijl hij moest afleiden welk paard het eerst moe zal worden, wat aan het einde een plotselinge uitbarsting van energie zal krijgen, die een beetje op het natte wegglijdt stukje gras van de regen van gisteren en vele andere moeilijk te bepalen variabelen.
Als de Cepheids-teams ongelijk hebben, betekent dit dat astronomen de hele tijd de afstanden in het universum verkeerd hebben gemeten, zei Madore. Maar als Planck het bij het verkeerde eind heeft, dan is het mogelijk dat nieuwe en exotische fysica in kosmologen 'modellen van het heelal moeten worden geïntroduceerd, voegde hij eraan toe. Deze modellen bevatten verschillende wijzerplaten, zoals het aantal soorten subatomaire deeltjes dat bekend staat als neutrino's, en ze worden gebruikt om de satellietgegevens van de kosmische microgolfachtergrond te interpreteren. Om de Planck-waarde voor de Hubble-constante met bestaande modellen te verzoenen, zouden sommige wijzerplaten moeten worden aangepast, zei Madore, maar de meeste natuurkundigen zijn nog niet helemaal bereid dit te doen.
In de hoop een ander datapunt te bieden dat tussen de twee partijen zou kunnen bemiddelen, keken Madore en zijn collega's onlangs naar het licht van rode reuzensterren. Deze objecten bereiken aan het einde van hun leven dezelfde piekhelderheid, wat betekent dat astronomen, net als bij de Cepheids, kunnen kijken hoe zwak ze van de aarde verschijnen om een goede schatting van hun afstand te krijgen en daarom de Hubble-constante kunnen berekenen.
De resultaten, uitgebracht in juli, leverden een vierkant op tussen de twee eerdere metingen: 47.300 mph per miljoen lichtjaar (69,8 km / s / Mpc). En de onzekerheid bevatte voldoende overlap om mogelijk in overeenstemming te zijn met de resultaten van Planck.
Maar onderzoekers laten hun champagnekurken nog niet knallen, zei Madore. 'We wilden een dasbreker maken', zei hij. 'Maar er stond niet dat deze kant of die kant klopt. Er stond dat er veel meer slop was dan iedereen eerder dacht.'
Andere teams hebben gewogen. Een groep genaamd H0-lenzen in COSMOGRAIL's Wellspring (H0LICOW) kijkt naar verre, heldere objecten in het vroege universum, quasars genaamd, waarvan het licht door middel van zwaartekracht door enorme objecten tussen ons en hen is belicht. Door deze quasars te bestuderen kwam de groep onlangs met een schatting dichter bij de astronomen. Informatie van het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), dat kijkt naar zwaartekrachtgolven van neerstortende neutronensterren, zou een ander onafhankelijk gegevenspunt kunnen opleveren. Maar dergelijke berekeningen bevinden zich nog in de beginfase, zei Madore, en moeten nog volledig volgroeid zijn.
Van zijn kant zei Madore dat hij denkt dat het middelste getal tussen Planck en de waarde van de astronomen uiteindelijk zal prevaleren, hoewel hij op dat moment niet te veel op die mogelijkheid zou wedden. Maar totdat er een conclusie is gevonden, zou hij graag zien dat de houding van onderzoekers een beetje wordt afgezwakt.
'Er is veel schuim bovenop gekomen door mensen die volhouden dat ze gelijk hebben', zei hij. 'Het is voldoende belangrijk dat het moet worden opgelost, maar het zal tijd kosten.'
