Begin jaren 2000 leek het erop dat kosmologen de grootste en meest complexe puzzel van allemaal hadden opgelost: hoe het universum werkt.

“Er was een geweldig moment waarop plotseling alle stukjes van de kosmologie in elkaar vielen”, zegt hij J. Colin Hill, een theoretisch kosmoloog aan Columbia University.

Alle manieren om het heelal te bestuderen – het in kaart brengen van sterrenstelsels en hun grotere structuren, het vastleggen van catastrofale stellaire explosies die supernova’s worden genoemd, het berekenen van afstanden tot veranderlijke sterren, het meten van de resterende kosmische gloed van het vroege heelal – vertelden verhalen die “leek te overlappen”, zei Hill.

De lijm die de verhalen bij elkaar hield, was een paar jaar eerder, in 1998, ontdekt: donkere energie, een mysterieuze kracht die, in plaats van de kosmos aan elkaar te lijmen, er op de een of andere manier voor zorgt dat deze zich steeds sneller uitbreidt in plaats van in de loop van de tijd te vertragen. Toen wetenschappers dit kosmische iets in hun modellen van het universum opnamen, raakten theorieën en observaties in elkaar over. Ze stelden een ontwerp op dat nu bekend staat als het standaardmodel van de kosmologie, genaamd Lambda-CDM, waarin donkere energie bijna 70% van het universum uitmaakt, terwijl een andere mysterieuze donkere entiteit – een soort onzichtbare massa die alleen met normale materie lijkt te interageren door de zwaartekracht – maakt ongeveer 25% uit. De resterende 5% is alles wat we kunnen zien: de sterren, planeten en sterrenstelsels die astronomen al millennia lang bestuderen.

Maar dat moment van rust was slechts een korte onderbreking tussen tijden van strijd. Naarmate astronomen nauwkeurigere waarnemingen van het heelal in de loop van de kosmische tijd deden, begonnen er scheuren in het standaardmodel te verschijnen. Enkele van de eerste tekenen van problemen kwamen voort uit metingen van variabele sterren en supernova in een handvol nabijgelegen sterrenstelsels – waarnemingen die, vergeleken met de resterende kosmische gloed, suggereerden dat ons universum volgens andere regels speelt dan we dachten, en dat een cruciale kosmologische parameter die bepaalt hoe snel het universum uit elkaar vliegt, verandert wanneer je meet het met verschillende maatstaven.

Kosmologen hadden een probleem – iets wat zij spanning noemden, of, op hun meer dramatische momenten, spanning crisis.

Deze tegenstrijdige metingen zijn pas duidelijker geworden in de ongeveer tien jaar sinds de eerste scheuren ontstonden. En deze discrepantie is niet de enige uitdaging voor het standaardmodel van de kosmologie. Waarnemingen van sterrenstelsels suggereren dat de manier waarop kosmische structuren zijn samengeklonterd in de loop van de tijd kan verschillen van ons beste begrip van hoe het huidige universum zou moeten zijn gegroeid uit zaden die in de vroege kosmos waren ingebed. En zelfs nog subtielere discrepanties komen voort uit gedetailleerde studies van het vroegste licht in het universum.

Andere inconsistenties zijn er in overvloed. ‘Er zijn elders nog veel meer kleinere problemen’, zegt hij Eleonora di Valentino, een theoretisch kosmoloog aan de Universiteit van Sheffield. “Daarom is het verwarrend. Omdat het niet alleen deze grote problemen zijn.”

Om deze spanningen te verlichten, kiezen kosmologen voor twee complementaire benaderingen. Ten eerste blijven ze preciezere waarnemingen doen van de kosmos, in de hoop dat betere gegevens aanwijzingen zullen opleveren over hoe verder te gaan. Bovendien vinden ze manieren om het standaardmodel subtiel aan te passen om tegemoet te komen aan de onverwachte resultaten. Maar deze oplossingen zijn vaak gekunsteld, en als ze één probleem oplossen, maken ze andere vaak erger.

“De situatie op dit moment lijkt een grote puinhoop”, zei Hill. “Ik weet niet wat ik ervan moet denken.”

Vervormd licht

Om ons universum te karakteriseren gebruiken wetenschappers een handvol getallen, die kosmologen parameters noemen. De fysieke entiteiten waarnaar deze waarden verwijzen, zijn allemaal tandwielen in een gigantische kosmische machine, waarbij elk bit met elkaar is verbonden.

Eén van die parameters heeft betrekking op hoe sterk massa samenklontert. Dat vertelt ons op zijn beurt iets over hoe donkere energie werkt, aangezien de steeds snellere beweging naar buiten in strijd is met de zwaartekracht van de kosmische massa. Om klonterigheid te kwantificeren, gebruiken wetenschappers een variabele genaamd S₈. Als de waarde nul is, heeft het universum geen variatie en geen structuur, uitgelegd Sunao Sugiyama, een observationeel kosmoloog aan de Universiteit van Pennsylvania. Het is als een vlakke, karakterloze prairie, zonder zelfs maar een mierenhoop die het landschap doorbreekt. Maar als S₈ dichter bij 1 ligt, lijkt het universum op een enorme, grillige bergketen, met enorme klonten dichte materie, gescheiden door valleien van niets. Waarnemingen gedaan door het Planck-ruimtevaartuig van het zeer vroege heelal – waar de eerste kiemen van structuur ontstonden – vinden een waarde van 0.83.

Maar waarnemingen uit de recente kosmische geschiedenis zijn het daar niet helemaal mee eens.

Om de klonterigheid in het huidige universum te vergelijken met metingen van de jonge kosmos, onderzoeken onderzoekers hoe materie over grote delen van de hemel is verdeeld.

Rekening houden met zichtbare sterrenstelsels is één ding. Maar het in kaart brengen van het onzichtbare netwerk waarop deze sterrenstelsels liggen, is een ander verhaal. Om dat te doen, kijken kosmologen naar kleine vervormingen in het licht van sterrenstelsels, omdat het pad dat het licht aflegt terwijl het door de kosmos beweegt, kromgetrokken wordt omdat het licht wordt afgebogen door de zwaartekracht van onzichtbare materie.

Door deze vervormingen (ook wel zwakke zwaartekrachtlenzen genoemd) te bestuderen, kunnen onderzoekers de verdeling van donkere materie volgen langs de paden die het licht aflegde. Ze kunnen ook schatten waar de sterrenstelsels zich bevinden. Met beide stukjes informatie in de hand maken astronomen 3D-kaarten van de zichtbare en onzichtbare massa van het universum, waarmee ze kunnen meten hoe het landschap van de kosmische structuur in de loop van de tijd verandert en groeit.

De afgelopen jaren hebben drie onderzoeken met zwakke lenzen grote delen van de hemel in kaart gebracht: de Dark Energy Survey (DES), die gebruik maakt van een telescoop in de Atacama-woestijn in Chili; de Kilo-Degree Survey (KIDS), ook in Chili; en meest recentelijk een vijfjarig onderzoek van de Hyper Suprime-Cam (HSC) van de Subaru Telescope op Hawaï.

Een paar jaar geleden zijn de DES- en KIDS-enquêtes geproduceerd S₈ waarden die lager zijn dan die van Planck – wat kleinere bergketens en lagere toppen impliceert dan wat de oorspronkelijke kosmische soep teweegbracht. Maar dat waren slechts prikkelende hints van tekortkomingen in ons begrip van hoe kosmische structuren groeien en conglomereren. Kosmologen hadden meer gegevens nodig en keken reikhalzend uit naar de gepubliceerde Subaru HSC-resultaten in een serie van vijf artikelen in december.

Het Subaru HSC-team onderzocht tientallen miljoenen sterrenstelsels die ongeveer 416 vierkante graden aan de hemel bestrijken, of het equivalent van 2,000 volle manen. In hun stukje lucht berekende het team een S₈ waarde van 0.78 – in lijn met de eerste resultaten van eerdere onderzoeken, en kleiner dan de gemeten waarde uit de waarnemingen van de straling van het vroege heelal met de Planck-telescoop. Het Subaru-team zegt voorzichtig dat hun metingen alleen maar een ‘aanduiding’ zijn van spanning, omdat ze nog niet helemaal het niveau van statistische significantie hebben bereikt waar wetenschappers op vertrouwen, hoewel ze eraan werken om nog eens drie jaar aan observaties aan hun gegevens toe te voegen.

"Als dit S₈ De spanning is echt waar, er is iets dat we nog niet begrijpen”, aldus Sugiyama, die een van de Subaru HSC-analyses leidde.

Kosmologen verdiepen zich nu in de details van de waarnemingen om bronnen van onzekerheid op te sporen. Om te beginnen schatte het Subaru-team de afstanden tot de meeste van hun sterrenstelsels op basis van hun algehele kleur, wat tot onnauwkeurigheden zou kunnen leiden. “Als je de [gemiddelde] afstandsschattingen verkeerd zou hebben, zou je sommige van je kosmologische parameters die je belangrijk vindt ook verkeerd hebben,” zei teamlid Rachel Mandelbaum van de Carnegie Mellon Universiteit.

Bovendien zijn deze metingen niet eenvoudig uit te voeren, met subtiele interpretatieproblemen. En het verschil tussen het kromgetrokken uiterlijk van een sterrenstelsel en zijn werkelijke vorm – de sleutel tot het identificeren van onzichtbare massa – is vaak erg klein, zei Diana Scognamiglio van het Jet Propulsion Laboratory van NASA. Bovendien kan vervaging in de atmosfeer van de aarde de vorm van een sterrenstelsel enigszins veranderen, wat een van de redenen is waarom Scognamiglio een analyse met zwakke lenzen uitvoert met behulp van de James Webb-ruimtetelescoop van NASA.

Voor nog meer verwarring zorgen wetenschappers met de DES- en KIDS-teams hebben onlangs hun metingen opnieuw geanalyseerd samen en afgeleid een S₈ waarde die dichter bij de Planck-resultaten ligt.

Voorlopig is het beeld dus rommelig. En sommige kosmologen zijn er nog niet van overtuigd dat de verschillende S₈ metingen staan ​​onder spanning. “Ik denk niet dat er een duidelijke aanwijzing is voor een grote catastrofale mislukking”, zei Hill. Maar, voegde hij eraan toe, “het is niet onwaarschijnlijk dat er iets interessants aan de hand zou kunnen zijn.”

Waar scheuren zichtbaar zijn

Tien jaar geleden zagen wetenschappers de eerste tekenen van problemen met metingen van een andere kosmologische parameter. Maar het kostte jaren om voldoende gegevens te verzamelen om de meeste kosmologen ervan te overtuigen dat ze met een volledige crisis te maken hadden.

Kortom, metingen van hoe snel het universum vandaag de dag uitdijt – bekend als de constante van Hubble – komen niet overeen met de waarde die je krijgt als je extrapoleert vanuit het vroege universum. Het raadsel is bekend geworden als de Hubble-spanning.

Om de Hubble-constante te berekenen, moeten astronomen weten hoe ver weg dingen zijn. In de nabije kosmos meten wetenschappers afstanden met behulp van sterren die Cepheid-variabelen worden genoemd en die periodiek van helderheid veranderen. Er bestaat een bekend verband tussen hoe snel een van deze sterren van helder naar zwak beweegt en hoeveel energie hij uitstraalt. Deze relatie, die aan het begin van de 20e eeuw werd ontdekt, stelt astronomen in staat de intrinsieke helderheid van de ster te berekenen, en door die te vergelijken met hoe helder hij lijkt, kunnen ze de afstand berekenen.

Met behulp van deze variabele sterren kunnen wetenschappers de afstanden meten tot sterrenstelsels tot ongeveer 100 miljoen lichtjaar van ons verwijderd. Maar om iets verder weg te kijken, en iets verder terug in de tijd, gebruiken ze een helderdere mijlmarkering: een specifiek type stellaire explosie, een supernova van het type Ia. Astronomen kunnen ook de intrinsieke helderheid van deze ‘standaardkaarsen’ berekenen, waardoor ze afstanden kunnen meten tot sterrenstelsels op miljarden lichtjaren afstand.

In de afgelopen twintig jaar hebben deze waarnemingen astronomen geholpen een waarde vast te stellen voor hoe snel het nabije heelal uitdijt: grofweg 73 kilometer per seconde per megaparsec, wat betekent dat als je verder weg kijkt, voor elke megaparsec (of 3.26 miljoen lichtjaar ) van afstand vliegt de ruimte 73 kilometer per seconde sneller weg.

Maar die waarde botst met een waarde die is afgeleid van een andere heerser die ingebed is in het jonge universum.

In het allereerste begin bestond het universum uit verschroeiend plasma, een soep van fundamentele deeltjes en energie. ‘Het was een hete puinhoop’, zei hij Vivian Poulin-Détolle, een kosmoloog aan de Universiteit van Montpellier.

Een fractie van een seconde in de kosmische geschiedenis veroorzaakte een gebeurtenis, misschien een periode van extreme versnelling die bekend staat als inflatie, schokken – drukgolven – door het duistere plasma.

Toen het universum afkoelde, brak eindelijk het licht dat gevangen zat in de elementaire plasmamist los. Dat licht – de kosmische microgolfachtergrond, of CMB – onthult die vroege drukgolven, net zoals het oppervlak van een bevroren meer de overlappende toppen van in de tijd bevroren golven vasthoudt, zei Poulin-Détolle.

Kosmologen hebben de meest voorkomende golflengte van deze bevroren drukgolven gemeten en deze gebruikt om een ​​waarde voor de Hubble-constante te berekenen 67.6 km / s / Mpcmet een onzekerheid van minder dan 1%.

De bijzonder tegenstrijdige waarden – ruwweg 67 versus 73 – hebben een vurig debat in de kosmologie aangewakkerd dat nog steeds onopgelost is.

Astronomen wenden zich tot onafhankelijke kosmische mijlpalen. De afgelopen zes jaar heeft Wendy Freeman van de Universiteit van Chicago (die al een kwart eeuw aan de Hubble-constante heeft gewerkt) heeft zich geconcentreerd op een type oude, rode ster die doorgaans in de buitenste delen van sterrenstelsels leeft. Daarbuiten kunnen minder overlappende heldere sterren en minder stof tot duidelijkere metingen leiden. Met behulp van deze sterren hebben Freedman en haar collega's een uitdijingssnelheid van ongeveer 70 km/s/Mpc gemeten – “wat eigenlijk redelijk goed overeenkomt met de Cepheids,” zei ze. "Maar het komt ook redelijk goed overeen met de microgolfachtergrond."

Ze heeft zich nu tot het krachtige infraroodoog van JWST gewend om het probleem te benaderen. Samen met haar collega's meet ze de afstanden tot deze gigantische rode sterren in elf nabijgelegen sterrenstelsels, terwijl ze tegelijkertijd de afstanden meet tot Cepheïden en een soort pulserende koolstofster in diezelfde sterrenstelsels. Ze verwachten de resultaten ergens dit voorjaar te publiceren, maar nu al, zei ze, “zien de gegevens er echt spectaculair uit.”

“Ik ben erg geïnteresseerd om te zien wat ze vinden”, zegt Hill, die zich bezighoudt met het begrijpen van modellen van het universum. Zullen deze nieuwe waarnemingen de scheuren in het favoriete model van de kosmologie groter maken?

Een nieuw model?

Terwijl observaties deze cruciale kosmologische parameters blijven beperken, proberen wetenschappers de gegevens in te passen in hun beste modellen van hoe het universum werkt. Misschien zullen nauwkeurigere metingen hun problemen oplossen, of misschien zijn de spanningen slechts een artefact van iets alledaags, zoals de eigenaardigheden van de gebruikte instrumenten.

Of misschien kloppen de modellen niet en zijn er nieuwe ideeën – ‘nieuwe natuurkunde’ – nodig.

‘Of we zijn niet slim genoeg geweest om een ​​model te bedenken dat werkelijk overal op past,’ zei Hill, óf ‘er kunnen in feite meerdere stukjes nieuwe natuurkunde in het spel zijn.’

Wat zouden ze kunnen zijn? Misschien een nieuw fundamenteel krachtveld, zei Hill, of interacties tussen donkere materiedeeltjes die we nog niet begrijpen, of nieuwe ingrediënten die nog geen deel uitmaken van onze beschrijving van het universum.

Sommige nieuwe natuurkundige modellen passen donkere energie aan en voegen een golf van kosmische versnelling toe in de vroege momenten van het universum, voordat elektronen en protonen op elkaar botsten. “Als de uitdijingssnelheid op de een of andere manier zou kunnen worden verhoogd, een klein beetje voor een tijdje in het vroege heelal,” zei hij Marc Kamionkowski, een kosmoloog aan de Johns Hopkins Universiteit, “kunt u de Hubble-spanning oplossen.”

Kamionkowski en een van zijn afgestudeerde studenten stelden het idee in 2016 voor, en twee jaar later deden ze dat ook enkele handtekeningen geschetst die een kosmische achtergrondmicrogolftelescoop met hoge resolutie zou moeten kunnen zien. En de Atacama Cosmology Telescope, gelegen op een berg in Chili, heeft enkele van die signalen waargenomen. Maar sindsdien hebben andere wetenschappers aangetoond dat het model creëert problemen met andere kosmische metingen.

Dat soort verfijnde model, waarbij een extra soort donkere energie even opstijgt en dan wegsterft, is te ingewikkeld om uit te leggen wat er gebeurt, zei Dragan Huterer, een theoretisch kosmoloog aan de Universiteit van Michigan. En andere voorgestelde oplossingen voor de Hubble-spanning komen doorgaans nog slechter overeen met de waarnemingen. Ze zijn ‘hopeloos afgestemd’, zei hij, net als verhalen die te specifiek zijn om in de pas te lopen met het lang gekoesterde idee dat eenvoudigere theorieën de neiging hebben het te winnen van complexe theorieën.

Gegevens die volgend jaar beschikbaar komen, kunnen helpen. Als eerste komen de resultaten van het team van Freedman naar verschillende onderzoeken naar de nabijgelegen expansiesnelheid. Vervolgens zullen onderzoekers in april de eerste gegevens onthullen van het grootste kosmologische hemelonderzoek tot nu toe, het Dark Energy Spectroscopic Instrument. Later dit jaar zullen het Atacama Cosmology Telescope-team – en onderzoekers die nog een oorspronkelijke achtergrondkaart maken met behulp van de Zuidpooltelescoop – waarschijnlijk hun gedetailleerde resultaten van de microgolfachtergrond met een hogere resolutie vrijgeven. Waarnemingen aan de verder weg gelegen horizon zullen afkomstig zijn van Euclid van de European Space Agency, een ruimtetelescoop die in juli werd gelanceerd, en van het Vera C. Rubin Observatorium, een kaartmachine die de hele hemel in kaart brengt en die in Chili in 2025 volledig operationeel zal zijn.

Het universum is misschien wel 13.8 miljard jaar oud, maar onze zoektocht om het te begrijpen – en onze plaats daarin – staat nog in de kinderschoenen. Alles in de kosmologie viel nog maar vijftien jaar geleden samen, in een korte periode van rust die een fata morgana bleek te zijn. De kloven die tien jaar geleden verschenen, zijn wijd opengespleten, waardoor er grotere kloven zijn ontstaan ​​in het favoriete model van de kosmologie.

‘Nu’, zei Di Valentino, ‘is alles veranderd.’

Noot van de redactie: meerdere wetenschappers die in dit artikel worden genoemd, hebben financiering ontvangen van de Simons Foundation, die ook dit redactioneel onafhankelijke tijdschrift financiert. Financieringsbeslissingen van de Simons Foundation hebben geen invloed op onze dekking. Meer details zijn beschikbaar Hier.