Alles wat we denken te weten over de vorm van het heelal kan fout zijn. In plaats van plat als een laken, zou ons heelal wel eens gekromd kunnen zijn, als een enorme, opgeblazen ballon, volgens een nieuwe studie.
Dat is de uitkomst van een nieuw artikel dat vandaag (4 november) is gepubliceerd in het tijdschrift Nature Astronomy, waarin wordt gekeken naar gegevens van de kosmische microgolfachtergrond (CMB), de vage echo van de oerknal. Maar niet iedereen is overtuigd; de nieuwe bevindingen, gebaseerd op gegevens die in 2018 zijn vrijgegeven, zijn in tegenspraak met zowel jarenlange conventionele wijsheid als een andere recente studie die is gebaseerd op diezelfde CMB-gegevensset.
Relatie: Van oerknal tot heden: Snapshots of Our Universe Through Time
Als het heelal gekromd is, dan kromt het volgens het nieuwe paper zachtjes. Die langzame kromming is niet belangrijk voor het reizen door ons leven, ons zonnestelsel of zelfs ons melkwegstelsel. Maar als je verder reist dan dat alles, buiten onze galactische omgeving, ver in de diepe duisternis, dan zul je uiteindelijk – als je in een rechte lijn beweegt – een lus maken en weer uitkomen waar je begonnen bent. Kosmologen noemen dit idee het “gesloten heelal”. Het bestaat al een tijdje, maar het past niet in de bestaande theorieën over hoe het heelal werkt. Daarom is het grotendeels verworpen ten gunste van een “plat heelal” dat zich zonder grenzen in alle richtingen uitstrekt en niet in een lus rond zichzelf draait. Nu biedt een anomalie in de gegevens van de beste meting ooit van de CMB een solide (maar niet absoluut sluitend) bewijs dat het heelal toch gesloten is, aldus de auteurs: University of Manchester kosmoloog Eleonora Di Valentino, Sapienza University of Rome kosmoloog Alessandro Melchiorri en Johns Hopkins University kosmoloog Joseph Silk.
Het verschil tussen een gesloten en open heelal is een beetje als het verschil tussen een uitgerekt plat laken en een opgeblazen ballon, vertelde Melchiorri aan Live Science. In beide gevallen zet het hele ding uit. Wanneer het laken uitzet, beweegt elk punt in een rechte lijn weg van elk ander punt. Wanneer de ballon wordt opgeblazen, verwijdert elk punt op het oppervlak zich verder van elk ander punt, maar de kromming van de ballon maakt de geometrie van die beweging ingewikkelder.
“Dit betekent bijvoorbeeld dat als je twee fotonen hebt en ze reizen parallel in een gesloten universum, ze elkaar zullen ontmoeten,” zei Melchiorri.
In een open, vlak universum zouden de fotonen, ongestoord gelaten, hun parallelle banen afleggen zonder ooit met elkaar in aanraking te komen.
Het conventionele model van de inflatie van het universum, aldus Melchiorri, suggereert dat het universum vlak zou moeten zijn. Spoel de uitdijing van de ruimte helemaal terug naar het begin, naar de eerste 0,00000000000000000000000000001 seconden na de oerknal, volgens dat model, en je ziet een moment van ongelooflijke, exponentiële uitdijing toen de ruimte uitgroeide uit dat infinitesimale punt waarin het begon. En de fysica van die supersnelle expansie wijst op een vlak heelal. Dat is de eerste reden waarom de meeste deskundigen geloven dat het heelal plat is, zei hij. Als het heelal niet vlak is, moet je de fysica van dat oermechanisme “bijstellen” om het allemaal in elkaar te laten passen – en in het proces talloze andere berekeningen opnieuw uitvoeren, zei Melchiorri.
Maar dat zou uiteindelijk nodig kunnen zijn, schreven de auteurs in de nieuwe studie.
Dat komt omdat er een anomalie is in de CMB. De CMB is het oudste wat we zien in het heelal, gemaakt van het omringende microgolf licht dat de hele ruimte overspoelt wanneer je de sterren en sterrenstelsels en andere interferentie blokkeert. Het is een van de belangrijkste bronnen van gegevens over de geschiedenis en het gedrag van het heelal, omdat het zo oud is en zo verspreid door de ruimte. En het blijkt, volgens de nieuwste gegevens, dat er aanzienlijk meer “gravitatielensing” van de CMB is dan verwacht – wat betekent dat de zwaartekracht de microgolven van de CMB meer lijkt te buigen dan de bestaande natuurkunde kan verklaren.
De gegevens waarop het team zich baseert, komen uit een 2018-uitgave van het Planck-experiment – een experiment van de Europese ruimtevaartorganisatie (ESA) om de CMB gedetailleerder in kaart te brengen dan ooit tevoren. (De nieuwe gegevens worden gepubliceerd in een binnenkort te verschijnen nummer van het tijdschrift Astronomy & Astrophysics en zijn nu beschikbaar op de ESA-website. Zowel Di Valentino als Melchiorri hebben daar ook aan meegewerkt.)
Om die extra lensing te verklaren, heeft de Planck Collaboration een extra variabele toegevoegd aan het model van de vorming van het heelal. “Dit is iets dat je er met de hand hebt ingestopt, in een poging te verklaren wat je ziet. Er is geen verband met de natuurkunde,” zei Melchiorri, wat betekent dat er geen A_lens-parameter is in Einsteins relativiteitstheorie. “Wat we hebben gevonden is dat je A_lens kunt verklaren met een positief gekromd universum, wat een veel meer fysische interpretatie is die je kunt verklaren met algemene relativiteit.”
Melchiorri wees erop dat de interpretatie van zijn team niet afdoende is. Volgens de berekeningen van de groep wijzen de Planck-gegevens op een gesloten heelal met een standaardafwijking van 3,5 sigma (een statistische meting die ongeveer 99,8% zekerheid inhoudt dat het resultaat niet het gevolg is van willekeurig toeval). Dat is ver onder de 5 sigma standaard die natuurkundigen gewoonlijk zoeken voordat ze een idee bevestigd noemen.
Maar sommige kosmologen zeiden dat er nog meer redenen waren om sceptisch te zijn.
Andrei Linde, een kosmoloog aan de Stanford University, vertelde Live Science dat het Nature Astronomy-paper geen rekening hield met een ander belangrijk paper, gepubliceerd in de arXiv-database op 1 oktober. (Dat artikel is nog niet gepubliceerd in een peer reviewed tijdschrift.)
In dat artikel kosmologen George Efstathiou en Steven Gratton van de Universiteit van Cambridge, die beiden ook werkten aan de Planck Collaboration, keken naar een beperktere subset van gegevens dan het Nature Astronomy artikel. Hun analyse ondersteunde ook een krommend heelal, maar met veel minder statistische betrouwbaarheid dan Di Valentino, Melchiorri en Silk vonden toen ze naar een groter deel van de Planck-gegevens keken. Toen Efstathiou en Graton de gegevens echter samen met twee andere bestaande gegevensreeksen van het vroege heelal bekeken, vonden zij dat het bewijs over het algemeen wees in de richting van een vlak heelal.
Gevraagd naar het artikel van Efstathiou en Gratton, prees Melchiorri de zorgvuldige behandeling van het werk. Maar hij zei dat de analyse van het duo gebaseerd is op een te klein deel van de Planck-gegevens. En hij wees erop dat hun onderzoek is gebaseerd op een aangepaste (en in theorie verbeterde) versie van de Planck-gegevens – niet op de openbare gegevensverzameling die meer dan 600 natuurkundigen hadden doorgelicht.
Linde wees op die heranalyse als een teken dat het artikel van Efstathiou en Gratton op betere methoden was gebaseerd.
Efstathiou vroeg om niet rechtstreeks geciteerd te worden, maar wees er in een e-mail aan Live Science op dat als het universum gekromd zou zijn, dit een aantal problemen zou opleveren – het zou die andere gegevensreeksen van het vroege universum tegenspreken en de discrepanties in de waargenomen uitdijingssnelheid van het universum veel erger maken. Gratton zei dat hij het daarmee eens was.
Melchiorri was het er ook mee eens dat het gesloten heelal-model een aantal problemen voor de natuurkunde zou opleveren.
“Ik wil niet zeggen dat ik in een gesloten universum geloof,” zei hij. “Ik ben een beetje neutraler. Ik zou zeggen, laten we wachten op de gegevens en wat de nieuwe gegevens zullen zeggen. Wat ik geloof is dat er nu een discrepantie is, dat we voorzichtig moeten zijn en moeten proberen te vinden wat deze discrepantie veroorzaakt.”
- 11 Fascinerende feiten over ons Melkwegstelsel
- Big Bang to Civilization: 10 Verbazingwekkende Ontstaan Gebeurtenissen
- Spaced Out! 101 Astronomiefoto’s die je versteld doen staan
Oorspronkelijk gepubliceerd op Live Science.
Geef een antwoord