Is er een oplossing in zicht voor de Hubblespanning?

Beeld: NASA

ΛCDM. Deze afkorting van Lambda Cold Dark Matter karakteriseert het kosmologisch model waarin al onze kennis over de evolutie van het heelal samengebald zit. Op basis van zes parameters kan je ermee beschrijven dat het heelal sinds de oerknal 13,77 miljard haar geleden onafgebroken is blijven uitzetten. Dit betekent dat het heelal voortdurend ruimte bijmaakt, die de afstand tussen twee willekeurige punten steeds meer laat toenemen. Een mysterieuze energievorm, donkere energie – de hoofdletter lambda in de afkorting – heeft dit proces zelfs doen versnellen sinds het heelal 9 miljard jaar oud is.

Wet van Hubble-Lemaître

Om te achterhalen hoe snel het heelal op een bepaald ogenblik uitdijt, kan je terugvallen op een verrassend eenvoudig empirisch verband: hoe verder het sterrenstelsel van ons verwijderd is, hoe sneller het van ons weg beweegt. Dit verband is lineair: als de ene groep sterren twee keer zo ver van ons staat als de eerste, zal die ook twee keer zo snel van ons wegvliegen. ‘Onze’ Georges Lemaître en de Amerikaanse sterrenkundige Edwin Hubble kwamen reeds zowat 90 jaar geleden tot deze bevinding, vervat in de wet van Hubble-Lemaître.

Deze wet drukt dan uit met welk getal je de afstand tot een bepaald sterrenstelsel moet vermenigvuldigen om te bekomen met welke snelheid het zich van ons verwijdert. Het staat bekend als de Hubbleconstante. De benaming ‘constante’ is wat ongelukkig gekozen, want als het heelal steeds sneller uitzet, verandert de waarde ervan ook voortdurend. Maar als je het heelal op een bepaald tijdstip bekijkt, laten we zeggen nu, zou de overeenkomstige Hubbleconstante, aangeduid als H₀, wel op alle plaatsen van het heelal gelijk moeten zijn.

Twee wegen naar H0

Om H₀ te bepalen, hebben we grosso modo twee methodes. Ofwel haal je de waarde voor H₀ uit de kosmische achtergrondstraling, het nagloeien van de oerknal. Ofwel maak je gebruik van sterrenstelsels waarvan je precies weet op welke afstand ze zich bevinden en met welke snelheid ze wegvliegen. De Hubbleconstante is immers het quotiënt van snelheid en afstand.

De snelheid haal je uit de roodverschuiving, de mate waarin de golflengte van sterstraling uitrekt door de beweging van ons weg. En de afstand? Die kan je in het heelal goed bepalen met twee ingrediënten. Enerzijds is er de schijnbare helderheid van de kosmische bron. Dat is het makkelijke stuk van het verhaal. Het is eenvoudigweg de helderheid die je meet wanneer de straling aan het eind van de reis op je detector invalt.

Anderzijds de absolute helderheid, wat de stralingsbron echt uitstraalt. Die ken je in principe niet, behalve bij bepaalde stertypes. Zo heb je de Cepheïden, sterren met een periodiek veranderende stralingsintensiteit. Er bestaat een duidelijk verband bestaat tussen de periode van verandering en de absolute helderheid.

Nu is het verschil tussen absolute en schijnbare helderheid een maat voor de afstand: hoe langer de straling onderweg is tussen bron en detector, hoe zwakker het licht dat uiteindelijk invalt. Omdat je van Cepheïden zowel de schijnbare als absolute helderheid kan bepalen, zijn het dan ook ideale kosmische mijlpaaltjes. Meer bepaald om de afstand tot nabije sterrenstelsels te bepalen, waarna supernovae de rol van afstandsbepaler kunnen overnemen.

Hubblespanning

De eerste methode, met de kosmische achtergrondstraling, vertelt je dat een sterrenstelsel dat zich op 1 megaparsec – dat is 3,26 miljoen lichtjaar – van ons bevindt, met een snelheid van 67,4 km per seconde van ons weg beweegt. De tweede methode houdt het op 73,3 km per seconde.

In de hedendaagse precisiewetenschap kan je een verschil van zowat 10% helaas niet meer met de mantel der liefde toedekken. Schort er iets aan ons ΛCDM-model? Heb je andere fysica nodig om de kindertijd van het heelal te beschrijven? Menig kosmoloog hoopt al dan niet stiekem van wel. Elk spoor naar een blinde vlek in onze theorieën over de werkelijkheid doet de hoop opflakkeren dat we nog een laagje dieper kunnen graven in ons begrip van de kosmos.

Betere mijlpaaltjes

Maar dat is buiten Wendy Freedman gerekend. Deze sterrenkundige, als professor verbonden aan de universiteit van Chicago, denkt dat we al die tijd met de verkeerde mijlpaaltjes gewerkt hebben. Cepheïden zijn doorgaans ingebed in de stofwolken van stervormingsgebieden, wat de waarneming ervan verstoort.

Dat kan beter. Freedman zocht en vond betere mijlpaaltjes: sterren op de top van de rode reuzentak, een evolutiestadium waarbij sterren allemaal dezelfde absolute helderheid bereiken. ‘Het voordeel van deze methode is haar eenvoud: deze sterren begrijpen we goed, je treft ze in alle sterrenstelsels aan en ze schijnen erg helder’, aldus Freedman.

En wat blijkt? Ze leveren een bijhorende waarde voor H₀ op van 69,8 km per seconde per megaparsec, statistisch niet significant verschillend van de 67,4 uit de eerste methode. Weg Hubblespanning? Freedman houdt toch nog een slag om de arm: ‘we moeten nog heel wat meer van dit soort sterren meten om voldoende zeker te zijn’.

Maar intussen doet ze de hoop op een spoor naar nieuwe fysica in het vroege heelal wel wat vervagen.