Natuurkundigen hebben subtiele aanwijzingen afgeleid dat de mysterieuze ‘donkere’ energie die het universum ertoe aanzet steeds sneller uit te breiden, in de loop van de tijd enigszins kan verzwakken. Het is een bevinding die het potentieel heeft om de fundamenten van de natuurkunde te doen schudden.

“Als dit waar is, zou dit de eerste echte aanwijzing zijn die we in 25 jaar tijd hebben gekregen over de aard van donkere energie”, zegt hij Adam Riess, een astrofysicus aan de Johns Hopkins Universiteit die in 1998 de Nobelprijs won voor zijn mede-ontdekking van donkere energie.

De nieuwe waarnemingen zijn afkomstig van het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI)-team, dat vandaag een kaart van de kosmos van ongekende omvang heeft onthuld, samen met een overvloed aan metingen afgeleid van de kaart. Voor veel onderzoekers is het hoogtepunt een plot dat laat zien dat drie verschillende combinaties van waarnemingen allemaal insinueren dat de invloed van donkere energie in de loop van de eeuwen kan zijn geërodeerd.

"Het is mogelijk dat we hints zien van donkere energie die evolueert," zei Dillon Brout van Boston University, lid van het DESI-team.

Onderzoekers binnen en buiten de samenwerking benadrukken allemaal dat het bewijsmateriaal niet sterk genoeg is om een ​​ontdekking te claimen. De waarnemingen pleiten voor de erosie van donkere energie met het soort middelmatige statistische significantie dat gemakkelijk zou kunnen verdwijnen met aanvullende gegevens. Maar onderzoekers merken ook op dat drie verschillende reeksen waarnemingen allemaal in dezelfde intrigerende richting wijzen, een die in strijd is met het standaardbeeld van donkere energie als de intrinsieke energie van het vacuüm van de ruimte – de grootheid die Albert Einstein de ‘kosmologische constante’ noemde. vanwege het onveranderlijke karakter ervan.

“Het is spannend,” zei Sesh Afterhur, een kosmoloog aan de Universiteit van Portsmouth die aan de DESI-analyse werkte. “Als donkere energie geen kosmologische constante is, zal dat een enorme ontdekking zijn.”

Opkomst van de kosmologische constante

In 1998 gebruikte de groep van Riess, samen met een ander team van astronomen onder leiding van Saul Perlmutter, het licht van tientallen verre, stervende sterren, supernova's genoemd, om de structuur van de kosmos te verlichten. Ze ontdekten dat de uitdijing van het heelal sneller groeit naarmate het ouder wordt.

Volgens de algemene relativiteitstheorie van Einstein kan elke materie of energie kosmische expansie aandrijven. Maar naarmate de ruimte groter wordt, worden alle bekende soorten materie en energie minder compact naarmate ze zich verspreiden in een ruimer universum. Naarmate hun dichtheid afneemt, zou de uitdijing van het universum moeten vertragen en niet versnellen.

Eén substantie die echter niet verwatert door de uitdijing van de ruimte, is de ruimte zelf. Als het vacuüm een ​​eigen energie heeft, zal de uitdijing versnellen naarmate er meer vacuüm (en dus meer energie) ontstaat, precies zoals de teams van Riess en Perlmutter hebben waargenomen. Hun ontdekking van de steeds snellere uitdijing van het heelal onthulde de aanwezigheid van een kleine hoeveelheid energie die verband houdt met het vacuüm van de ruimte: donkere energie.

Toevallig had Einstein een dergelijke mogelijkheid overwogen toen hij de algemene relativiteitstheorie ontwikkelde. Om te voorkomen dat de verdunning van de materie het universum doet instorten, stelde hij zich voor dat de hele ruimte zou kunnen worden doordrenkt met een vaste hoeveelheid extra energie, weergegeven door het symbool Λ, genaamd lambda, en ook wel de kosmologische constante genoemd. Einsteins intuïtie bleek niet te kloppen, omdat het universum niet in evenwicht is zoals hij zich had voorgesteld. Maar na de ontdekking in 1998 dat de ruimte alles naar buiten lijkt te duwen, keerde zijn kosmologische constante terug en nam zijn plaats in in het hart van het huidige standaardmodel van de kosmologie, een reeks met elkaar verweven ingrediënten die het ‘Lambda CDM-model’ wordt genoemd.

"Het is makkelijk. Het is één getal. Er zit een verhaal in dat je eraan kunt koppelen. Daarom wordt aangenomen dat het constant is,” zei Licia Verde, een theoretisch kosmoloog en lid van de DESI-samenwerking.

Nu pikt een nieuwe generatie kosmologen, die een nieuwe generatie telescopen hanteert, wellicht de eerste signalen van een rijker verhaal op.

De hemel in kaart brengen

Eén van die telescopen staat op Kitt Peak in Arizona. Het DESI-team heeft de vier meter lange spiegel van de telescoop uitgerust met 5,000 robotvezels die automatisch naar hun hemeldoelen draaien. De automatisering maakt bliksemsnelle gegevensverzameling mogelijk in vergelijking met het vorige vlaggenschiponderzoek naar sterrenstelsels, de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), dat vertrouwde op soortgelijke vezels die met de hand in metalen platen met patronen moesten worden aangesloten. Op een recente recordnacht kon DESI de locaties van bijna 200,000 sterrenstelsels vastleggen.

Van mei 2021 tot juni 2022 slurpten de robotvezels fotonen op die vanuit verschillende tijdperken van de kosmische geschiedenis op aarde aankwamen. De DESI-onderzoekers hebben die gegevens sindsdien omgezet in de meest gedetailleerde kosmische kaart die ooit is gemaakt. Het toont de precieze locaties van ongeveer 6 miljoen sterrenstelsels zoals ze tussen grofweg 2 en 12 miljard jaar geleden bestonden (in de 13.8 miljard jaar durende geschiedenis van het universum). “DESI is echt een geweldig experiment dat verbazingwekkende gegevens oplevert”, zegt Riess.

Het geheim van DESI's nauwkeurige kartering is het vermogen om spectra van sterrenstelsels te verzamelen: gegevensrijke plots die de intensiteit van elke lichttint registreren. Een spectrum laat zien hoe snel een sterrenstelsel zich van ons verwijdert en dus in welk tijdperk van de kosmische geschiedenis we het zien (hoe sneller een sterrenstelsel zich terugtrekt, hoe ouder het is). Daarmee kun je de sterrenstelsels ten opzichte van elkaar situeren, maar om de kaart te kalibreren met de juiste afstanden ten opzichte van de aarde – essentiële informatie voor een volledige reconstructie van de kosmische geschiedenis – heb je iets anders nodig.

Voor de DESI-samenwerking was dat een lappendeken van bevroren dichtheidsrimpels die waren achtergelaten uit het vroege universum. De eerste paar honderdduizend jaar na de oerknal was de kosmos een hete, dikke soep van voornamelijk materie en licht. De zwaartekracht trok de materie naar binnen, terwijl het licht het naar buiten duwde, en de worsteling veroorzaakte dichtheidsrimpels die zich vanuit een paar aanvankelijke dichte plekken in de soep naar buiten verspreidden. Nadat het heelal was afgekoeld en er atomen waren gevormd, werd het transparant. Het licht stroomde naar buiten en liet de rimpelingen – baryonische akoestische oscillaties (BAO’s) genoemd – op hun plaats bevroren.

Het eindresultaat was een reeks overlappende bollen met iets dichtere schillen met een doorsnede van ongeveer een miljard lichtjaar: de afstand die BAO's moesten afleggen voordat ze bevriezen. Deze dichte schillen vormden vervolgens iets meer sterrenstelsels dan op andere locaties, en wanneer DESI-onderzoekers miljoenen sterrenstelsels in kaart brengen, kunnen ze sporen van deze bollen detecteren. Dichterbij gelegen bollen lijken groter dan verre bollen, maar omdat DESI-onderzoekers weten dat de bollen allemaal even groot zijn, kunnen ze zien hoe ver de sterrenstelsels werkelijk van de aarde verwijderd zijn en de grootte van de kaart dienovereenkomstig aanpassen.

Om te voorkomen dat hun resultaten onbewust werden beïnvloed, voerden de onderzoekers een ‘blinde’ analyse uit, waarbij ze werkten met metingen die willekeurig waren door elkaar geschud om fysieke patronen te verdoezelen. Vervolgens kwam de samenwerking afgelopen december bijeen op Hawaï om de resultaten te ontcijferen en te zien wat voor soort kaart de Kitt Peak-robotvezels hadden waargenomen.

Nadathur, die vanuit zijn huis in Groot-Brittannië live over Zoom keek, voelde een spanning toen de kaart werd onthuld, omdat het een beetje vreemd leek. “Als je voldoende ervaring had met BAO-gegevens, kon je zien dat er iets nodig was dat een beetje afweek van het standaardmodel”, zei Afterhur. "Ik wist dat Lambda CDM niet helemaal het hele plaatje was."

De week daarop, terwijl de onderzoekers de nieuwe dataset doorzochten, analyseerden en vermengden met andere grote kosmologische datasets, ontdekten ze de bron van de eigenaardigheid en wisselden ze een stortvloed aan Slack-berichten uit.

“Een van mijn collega's plaatste een plot waarin deze donkere energiebeperking werd getoond, maar schreef er geen woorden over. Alleen de plot en een exploderende hoofd-emoji”, zei Afterhur.

Gegevens voor dagen

DESI wil vaststellen hoe het universum zich in de loop van de tijd heeft uitgebreid door verschillende soorten sterrenstelsels te observeren zoals ze verschenen tijdens zeven tijdperken van de kosmologische geschiedenis. Vervolgens zien ze hoe goed deze zeven momentopnamen overeenkomen met de evolutie voorspeld door Lambda CDM. Ze overwegen ook hoe goed andere theorieën het doen, zoals theorieën die het mogelijk maken dat donkere energie tussen momentopnamen varieert.

Alleen al met de DESI-gegevens van het eerste jaar voldoet Lambda CDM bijna net zo goed aan de momentopnamen als een variabel donkere-materiemodel. Pas wanneer de samenwerking de DESI-kaart combineert met andere snapshots – licht dat bekend staat als de kosmische microgolfachtergrond en een reeks van drie recente supernovakaarten – beginnen de twee theorieën uit elkaar te drijven.

Ze ontdekten dat de resultaten 2.5, 3.5 of 3.9 ‘sigma’s’ verschilden van de voorspelling van Lambda CDM, afhankelijk van welke van de drie supernovacatalogi ze hadden opgenomen. Stel je voor dat je een munt 100 keer opgooit. De voorspelling voor een eerlijke munt is 50 kop en 50 munt. Als je 60 keer kop krijgt, is dat twee sigma verwijderd van het gemiddelde; de kans dat dit bij toeval gebeurt (in tegenstelling tot het vervalsen van de munt) is 1 op 20. Als je 75 keer kop krijgt – wat een kans van 1 op 2 miljoen heeft dat dit willekeurig gebeurt – is dat een resultaat van vijf sigma, de gouden standaard voor het claimen van een ontdekking in de natuurkunde. de door DESI verkregen sigmawaarden liggen daar ergens tussenin; het kunnen zeldzame statistische schommelingen zijn of echt bewijs dat donkere energie aan het veranderen is.

Hoewel onderzoekers deze cijfers verleidelijk vinden, waarschuwen ze er ook voor om niet te veel in de hogere waarden te kijken. Het universum is veel ingewikkelder dan een munt, en de statistische significanties zijn afhankelijk van subtiele aannames in de data-analyse.

Een sterkere reden voor enthousiasme is het feit dat alle drie de supernovacatalogi – die enigszins onafhankelijke populaties van supernova’s omvatten – erop wijzen dat donkere energie op dezelfde manier varieert: de kracht ervan neemt af, of, zoals kosmologen zeggen, ‘dooit’. "Als we al deze complementaire datasets uitwisselen, hebben ze de neiging allemaal samen te komen op dit enigszins negatieve getal", aldus Brout. Als de discrepantie willekeurig zou zijn, zouden de datasets waarschijnlijk in verschillende richtingen wijzen.

Jozua Frieman, een kosmoloog aan de Universiteit van Chicago en lid van de DESI-samenwerking die niet aan de data-analyse werkte, zei dat hij blij zou zijn als Lambda CDM zou vallen. Als theoreticus stelde hij in de jaren negentig theorieën over het ontdooien van donkere energie voor, en recentelijk was hij medeoprichter van de Dark Energy Survey – een project dat zocht naar afwijkingen van het standaardmodel van 1990 tot 2013 en een van de drie supernovacatalogi DESI creëerde. gebruikt. Maar hij herinnert zich ook dat hij verbrand was door het verdwijnen van kosmologische anomalieën in het verleden. "Mijn reactie hierop is dat ik geïntrigeerd ben", maar "totdat de fouten kleiner worden, ga ik mijn [Nobel] acceptatietoespraak niet schrijven", grapte Frieman.

“Statistisch gezien zou het kunnen verdwijnen”, zei Brout over de discrepantie met het Lambda CDM-model. “We gaan er nu alles aan doen om uit te zoeken of dat zo is.”

Nadat ze eerder deze week hun derde jaar van observaties hadden afgerond, verwachten de DESI-onderzoekers dat hun volgende kaart bijna twee keer zoveel sterrenstelsels zal bevatten als de kaart die vandaag is onthuld. En nu ze meer ervaring hebben met het uitvoeren van de BAO-analyse, zijn ze van plan de bijgewerkte driejarenkaart snel uit te brengen. Vervolgens komt een vijfjarige kaart van 40 miljoen sterrenstelsels.

Naast DESI komen de komende jaren een hele reeks nieuwe instrumenten online, waaronder het 8.4 meter lange Vera Rubin Observatorium in Chili, de Nancy Grace Roman Space Telescope van NASA en de Euclid-missie van het European Space Agency.

“Onze gegevens in de kosmologie hebben de afgelopen 25 jaar enorme sprongen gemaakt, en staan ​​op het punt nog grotere sprongen te maken”, zegt Frieman.

Terwijl ze nieuwe waarnemingen verzamelen, kunnen onderzoekers blijven ontdekken dat donkere energie net zo constant lijkt als gedurende een generatie. Of, als de trend zich voortzet in de richting die wordt gesuggereerd door de resultaten van DESI, zou dit alles kunnen veranderen.

Nieuwe fysica

Als donkere energie verzwakt, kan het geen kosmologische constante zijn. In plaats daarvan zou het wel eens hetzelfde soort veld kunnen zijn waarvan veel kosmologen denken dat dit een moment van exponentiële expansie veroorzaakte tijdens de geboorte van het universum. Dit soort ‘scalair veld’ zou de ruimte kunnen vullen met een hoeveelheid energie die in eerste instantie constant lijkt – zoals de kosmologische constante – maar uiteindelijk in de loop van de tijd begint te verschuiven.

“Het idee dat donkere energie varieert is heel natuurlijk”, zegt hij Paul Steinhardt, een kosmoloog aan de Universiteit van Princeton. Anders, vervolgde hij, ‘zou het de enige vorm van energie zijn die we kennen en die absoluut constant is in ruimte en tijd.’

Maar die variabiliteit zou een diepgaande paradigmaverschuiving teweegbrengen: we zouden niet in een vacuüm leven, dat wordt gedefinieerd als het vacuüm laagste energietoestand van het universum. In plaats daarvan zouden we in een energieke staat verkeren die langzaam afglijdt naar een echt vacuüm. ‘We zijn eraan gewend te denken dat we in het vacuüm leven,’ zei Steinhardt, ‘maar niemand heeft je dat beloofd.’

Het lot van de kosmos zou afhangen van hoe snel het getal dat voorheen bekend stond als de kosmologische constante afneemt, en hoe ver dit zou kunnen gaan. Als het nul bereikt, zou de kosmische versnelling stoppen. Als het ver genoeg onder nul daalt, zou de uitdijing van de ruimte overgaan in een langzame inkrimping – het soort omkering dat nodig is voor cyclische theorieën van de kosmologie, zoals die ontwikkeld door Steinhardt.

Snaartheoretici delen een soortgelijke visie. Met hun voorstel dat alles neerkomt op de trilling van snaren, kunnen ze universums met verschillende aantallen dimensies en allerlei exotische deeltjes en krachten aan elkaar weven. Maar zij kan niet gemakkelijk bouwen een universum dat permanent een stabiele positieve energie handhaaft, zoals ons universum leek te doen. In plaats daarvan moet de energie in de snaartheorie ofwel zachtjes dalen in de loop van miljarden jaren, ofwel gewelddadig dalen tot nul of een negatieve waarde. “In wezen geloven alle snaartheoretici dat het het een of het ander is. We weten niet welke”, zei hij Cumrun Vafa van de universiteit van Harvard.

Observationeel bewijs voor een geleidelijke afname van donkere energie zou een zegen zijn voor het zachte valscenario. "Dat zou geweldig zijn. Het zou de belangrijkste ontdekking zijn sinds de ontdekking van donkere energie zelf”, aldus Vafa.

Maar voorlopig zijn dergelijke speculaties slechts op de meest losse manieren in de DESI-analyse geworteld. Kosmologen zullen nog vele miljoenen sterrenstelsels moeten observeren voordat ze serieus aan revolutie gaan denken.

“Als dit standhoudt, zou dit de weg kunnen verlichten naar een nieuw, potentieel dieper begrip van het universum”, aldus Riess. “De komende jaren zouden heel onthullend moeten zijn.”