De complexe structuur die we vandaag de dag zien, ontstond uit een kleinere, hetere, dichtere, meer uniforme toestand in het verleden. Er moet een nieuwe vorm van energie zijn die de huidige fase van versnelde expansie aandrijft, voorbij de bekende materie en straling. C. Faucher-Giguère, A. Lidz, and L. Hernquist, Science 319, 5859 (47)

Materie en energie vertellen ruimtetijd hoe te krommen; gekromde ruimtetijd vertelt materie en energie hoe te bewegen. Het is de hoofdregel van de Algemene Relativiteit, en hij geldt voor alles in het heelal, inclusief het hele heelal zelf. Eind jaren negentig hadden we genoeg gegevens van verre sterrenstelsels in het heelal verzameld om te concluderen dat ze niet alleen van ons weg bewogen, maar dat hun terugtocht ook nog eens versnelde. Het weefsel van de ruimte was niet alleen aan het uitdijen, maar de uitdijing was aan het versnellen.

De afstand (x-as) komt overeen met een heelal dat in het verleden sneller uitdijde, maar nu nog steeds uitdijt. Dit is een moderne versie van het oorspronkelijke werk van Hubble, dat duizenden malen verder reikt. Merk op dat de punten geen rechte lijn vormen, wat wijst op de verandering van de uitdijingssnelheid in de tijd. Ned Wright, op basis van de nieuwste gegevens van Betoule et al. (2014)

De enige verklaring was dat er meer moest zijn in het heelal, in termen van materie-energie, dan wat we eerder hadden geconcludeerd. In een uitdijend heelal – zoals het heelal waarin wij leven – wordt niet alleen de kromming bepaald door materie en energie, maar ook hoe de uitdijingssnelheid in de tijd verandert. De componenten van het heelal die we tot 20 jaar geleden kenden waren normale materie, donkere materie, neutrino’s en straling. Het heelal kan daarmee prima uitdijen, maar verre sterrenstelsels zouden alleen maar langzamer moeten gaan.

De waarneming van versnelling betekende dat er nog iets anders was, en dat het niet alleen aanwezig was; het was dominant.

De kromming van de ruimte, zoals veroorzaakt door de planeten en de Zon in ons Zonnestelsel, moet in aanmerking worden genomen bij alle waarnemingen die een ruimteschip of een ander observatorium zou doen. De effecten van de Algemene Relativiteit, zelfs de subtiele, kunnen niet worden genegeerd. NASA/JPL-Caltech, voor de Cassini missie

Fysisch gezien is wat er in de Algemene Relativiteit gebeurt, dat het weefsel van de ruimte zelf positief of negatief kromt in reactie op de materie die er in samenklontert en clustert. Een planeet zoals de Aarde of een ster zoals onze Zon zal de stof van de ruimte doen kromtrekken, terwijl een dichter, massiever voorwerp de ruimte sterker zal doen krommen. Als je in je heelal alleen maar een paar klonters materie hebt, is deze beschrijving voldoende.

Aan de andere kant, als er veel massa’s in het heelal zijn, ruwweg gelijkmatig over het heelal verdeeld, dan voelt de hele ruimtetijd een globaal gravitatie-effect. Als het heelal niet zou uitdijen, zou de zwaartekracht alles ineen doen storten tot één enkel punt. Het feit dat het heelal dat niet heeft gedaan, laat ons onmiddellijk concluderen dat iets dat instorten heeft voorkomen. Of er is iets dat de zwaartekracht tegenwerkt, of het heelal dijt uit.

ondersteunt het beeld van het uitdijende heelal en de oerknal. Het kleine aantal inputparameters en het grote aantal successen bij waarnemingen en voorspellingen die vervolgens zijn geverifieerd, behoren tot de kenmerken van een succesvolle wetenschappelijke theorie. De Friedmann-vergelijking beschrijft het allemaal. NASA / GSFC

Daar komt het hele idee van de oerknal vandaan. Als we overal materie in ongeveer gelijke hoeveelheden zien, in alle richtingen, en op afstanden dichtbij, tussen en ver weg, dan weten we dat er een ongelooflijk grote gravitatiekracht moet zijn die probeert ze allemaal weer bij elkaar te trekken. Omdat het heelal nog niet is teruggevallen (en ook niet bezig is terug te vallen), blijven er maar twee opties over: de zwaartekracht heeft ongelijk, of het heelal dijt uit.

Gezien het feit dat de Algemene Relativiteit elke test heeft doorstaan, is het moeilijk om te beweren dat hij ongelijk heeft. Vooral omdat, met een heelal vol materie en straling, je alleen maar een initiële uitdijing nodig hebt om een heelal te hebben dat vandaag de dag:

• uitdijt,
• afkoelt,
• minder dicht wordt,
• vol roodverschoven licht zit,
• en een heet, dicht verleden had.

Een heelal dat heet, dicht en uitdijend werd geboren, maar dat gevuld was met materie en energie, zou er heel erg uitzien zoals ons heelal er nu uitziet.

illustraties) komen allemaal overeen met een Universum waarin de materie en de energie strijden tegen de aanvankelijke uitdijingssnelheid. In ons waargenomen Universum wordt een kosmische versnelling veroorzaakt door een soort donkere energie, die tot nu toe onverklaard is. Al deze heelallen worden beheerst door de Friedmann-vergelijkingen. E. Siegel / Beyond the Galaxy

De uitdijing begint snel, en gravitatie werkt om de dingen weer bij elkaar te trekken. Het doet je denken dat er drie mogelijkheden zijn voor hoe het heelal zich in de loop der tijd zal ontwikkelen:

1. De zwaartekracht wint: Het heelal dijt in het begin snel uit, maar er is genoeg zwaartekracht om de boel uiteindelijk weer samen te trekken. De uitdijing bereikt een maximum, stopt, en keert om om tot een recollapse te leiden.
2. Gravitatie en uitdijing gaan gelijk op: De aanvankelijke uitdijing en gravitatie werken elkaar precies tegen. Met één proton meer in het heelal zou het weer in elkaar storten, maar dat proton is er niet. In plaats daarvan is de uitdijingssnelheid asymptotisch gelijk aan nul en gaan verre sterrenstelsels gewoon steeds langzamer achteruit: De snelle expansie wordt tegengewerkt door de zwaartekracht, maar niet voldoende. Na verloop van tijd blijven sterrenstelsels zich van elkaar verwijderen, en hoewel de zwaartekracht de uitdijing afremt, stopt deze nooit.

Maar wat we feitelijk waarnemen is een vierde. We zien dat het heelal zich de eerste paar miljard jaar op dat “kritische” pad leek te bevinden, en toen begonnen de verre sterrenstelsels plotseling sneller van elkaar weg te bewegen. Theoretisch is er een dwingende reden waarom dit zou kunnen zijn.

Hyperwall van de Society in 2017, samen met de eerste Friedmann-vergelijking rechts. Perimeter Institute / Harley Thronson

Er is een heel eenvoudige (nou ja, voor Relativiteit) vergelijking die regelt hoe het heelal uitdijt: de eerste Friedmann-vergelijking. Hoewel het er misschien ingewikkeld uitziet, hebben de termen in de vergelijking reële betekenissen die gemakkelijk te begrijpen zijn.

vandaag geschreven (in moderne notatie), waarbij de linkerkant de Hubble-uitdijingssnelheid en de evolutie van ruimtetijd beschrijft, en de rechterkant alle verschillende vormen van materie en energie omvat, samen met de ruimtelijke kromming. LaTeX / public domain

Aan de linkerkant staat het equivalent van de uitdijingssnelheid (in het kwadraat), of wat in de volksmond de Hubble-constante wordt genoemd. (Het is niet echt een constante, want hij kan veranderen als het heelal in de loop van de tijd uitdijt of krimpt). Het vertelt je hoe het weefsel van het heelal uitzet of krimpt als een functie van de tijd. Aan de rechterkant staat letterlijk al het andere. Daar is alle materie, straling, en andere vormen van energie die het heelal vormen. Er is de kromming die inherent is aan de ruimte zelf, afhankelijk van of het heelal gesloten is (positief gekromd), open (negatief gekromd), of plat (niet gekromd). En dan is er nog de “Λ” term: een kosmologische constante, die ofwel een vorm van energie kan zijn, ofwel een intrinsieke eigenschap van de ruimte kan zijn.

kosmologische constante (onder) allemaal met de tijd evolueren in een uitdijend heelal E. Siegel / Beyond The Galaxy

Deze twee kanten moeten gelijk zijn. We dachten dat de uitdijing van het heelal zou vertragen omdat, als het heelal uitdijt, de energiedichtheid (aan de rechterkant) afneemt, en dus de uitdijingssnelheid van de ruimte moet afnemen. Maar als je een kosmologische constante hebt of een andere vorm van donkere energie, kan de energiedichtheid helemaal niet afnemen. Hij kan constant blijven of zelfs toenemen, en dat betekent dat de uitdijingssnelheid ook constant zal blijven of toenemen.

Hoe dan ook, het zou betekenen dat een ver weg gelegen sterrenstelsel sneller lijkt te gaan als het zich van ons verwijdert. Donkere energie versnelt het heelal niet door een naar buiten gerichte druk of een anti-gravitatiekracht; het versnelt het heelal door de manier waarop de energiedichtheid verandert (of, beter gezegd, niet verandert) terwijl het heelal blijft uitdijen.

Ons eigenlijke, versnellende lot, rechts afgebeeld. Na voldoende tijd zal de versnelling elke gebonden galactische of supergalactische structuur volledig geïsoleerd achterlaten in het heelal, terwijl alle andere structuren onherroepelijk weg versnellen. NASA & ESA

Naarmate het heelal uitdijt, ontstaat er meer ruimte. Omdat donkere energie een vorm van energie is die inherent is aan de ruimte, neemt de energiedichtheid niet af naarmate we meer ruimte maken. Dit is fundamenteel anders dan normale materie, donkere materie, neutrino’s, straling, en al het andere dat we kennen. En daarom beïnvloedt het de uitdijingssnelheid op een andere manier dan al die andere soorten materie-energie.

evolueert/uitdijt in gelijke tijdstappen als uw heelal wordt gedomineerd door materie, straling, of de energie die inherent is aan de ruimte zelf, waarbij de laatste overeenkomt met ons door donkere energie gedomineerde heelal. E. Siegel

In een notendop, een nieuwe vorm van energie kan de uitdijingssnelheid van het Heelal op een nieuwe manier beïnvloeden. Het hangt er allemaal van af hoe de energiedichtheid in de loop van de tijd verandert. Terwijl materie en straling minder dicht worden naarmate het heelal uitdijt, is ruimte nog steeds ruimte en heeft overal dezelfde energiedichtheid. Het enige dat is veranderd, is onze automatische aanname dat energie nul zou moeten zijn. Nou, het versnellende heelal vertelt ons dat het niet nul is. De grote uitdaging voor astrofysici is nu uit te zoeken waarom de energie de waarde heeft die ze heeft. Wat dat betreft is donkere energie nog steeds het grootste mysterie in het heelal.

Volg me op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.