Een Timescape model voor de kosmische expansie: enkele bedenkingen

Onlangs verscheen in de publicatie MIRA Ceti 2025-01 een kort maar verhelderend artikel van Francis Meeus over een Timescape model voor de kosmische expansie van het universum. Het is een theorie waarin prof. D. Wiltshire van de universiteit van Christchurch in Nieuw Zeeland de expansie van het universum poogt te verklaren zonder een beroep te moeten doen op het ons vertrouwde begrip ‘donkere energie’.

Het is te vroeg om nu al te weten hoe het verder zal verlopen met deze nieuwe visie op de evolutie van het universum, maar het onderwerp is in elk geval belangrijk. Het huidige beeld dat men van het universum hanteert vertoont immers grote lacunes. We zijn verplicht om aan te nemen dat het voor ongeveer 70% gevuld is met een geheimzinnige intergalactische stof waarover men zo goed niets weet en die men, bij gebrek aan een betere naam, ‘donkere energie’ noemt. Een zeer groot deel van de essentie zelf van het universum ontsnapt ons nog altijd, en dit is voor kosmologen een nachtmerrie.

Daarbij komt nog dat de algemene relativiteitstheorie van Einstein onze kennis van het universum grondig door elkaar heeft geschud. Het starre, onveranderlijke universum werd vervangen door een veranderlijk en uitdijend universum, waarvan de toestand beschreven wordt in een wiskundige vergelijking. Maar die vergelijking is in haar meest algemene vorm, helaas, praktisch onoplosbaar. Om concrete kosmologische modellen op te stellen moet men voor het universum bepaalde veronderstellingen formuleren. Zo bijvoorbeeld veronderstellen de meeste modellen dat wij in een universum leven dat op zeer grote schaal homogeen en isotroop is. Maar is dit wel zo?

Deze pas verschenen publicatie is misschien een passend moment om even stil te staan bij de geschiedenis van twee begrippen, donkere materie en donkere energie, die samen 95% van de totale massa-energie van ons universum zouden uitmaken en waarover men nog steeds quasi niets weet. Hoe en waarom hebben astronomen deze twee raadselachtige begrippen in het leven geroepen? In welke brede context moet men deze begrippen plaatsen?

De algemene relativiteitstheorie en haar consequenties

De geschiedenis van de donkere materie en de donkere energie begint in feite in 1915 toen Albert Einstein zijn algemene relativiteitstheorie wereldkundig maakte. In die periode was Einstein er rotsvast van overtuigd dat het universum een statisch en onveranderlijk karakter had en dat de vorm ervan bepaald werd door de aanwezige massa en energie. Maar vlug werd duidelijk dat zijn pas ontdekte theorie zijn eigen overtuiging tegensprak. Een statisch universum bleek volgens de relativiteitstheorie onmogelijk te zijn! Het werd daarbij nog moeilijker om zijn opvatting te handhaven toen eind jaren twintig van de vorige eeuw de waarnemingen van o.a. Hubble en Lemaître ondubbelzinnig aantoonden dat het universum een uitdijend karakter had.

Niettemin bleef Einstein nog een tijd halsstarrig vasthouden aan zijn statisch universum-model. En om zijn visie gestand te houden voegde hij in zijn formules zelfs een term toe, die hij de kosmologische constante (Λ) noemde. Later zou Einstein die kosmologische constante de grootste blunder van zijn leven (sic) noemen...

Maar het kan verkeren. Later zou immers blijken dat de rol van die kosmologische constante verre van uitgespeeld was. Ze zou daarentegen het begin inluiden van een echte wetenschappelijke saga…

Kosmologie wordt een echte wetenschap

De relativiteitstheorie en de bewegingen van sterrenstelsels dwongen astronomen zich meer en meer vragen te stellen over het universum. De astronomie kreeg met andere woorden een nieuwe dimensie. Studie en onderzoek gingen niet zozeer meer naar wat zich in het universum bevond, maar wel naar het universum zelf. Had ons universum een geschiedenis? Zou het universum, zoals de relativiteitstheorie suggereerde, zich blijven uitzetten? Of zou het ooit in elkaar klappen? Hoe ziet de toekomst van het universum eruit?

In de figuur hierboven worden de verschillende mogelijkheden voor de toekomst van het universum afgebeeld. De bovenste curve stelt een universum voor dat zich in de toekomst verder aan een versneld ritme blijft uitzetten. Het universum zou in dat geval een open universum zijn. Dit model noemt men de Big Rip-hypothese. De onderste curve stelt een gesloten universum voor dat op een bepaald ogenblik in de toekomst terug in elkaar zal stuiken. Dit model noemt men de Big Crunch-hypothese. Daartussen ligt een derde mogelijkheid: een middenweg tussen de twee extremen, dat model voorspelt een universum dat zich verder rustig blijft uitzetten.

De toekomst van het heelal

Hoe de toekomst van het universum er zal uitzien zal vooral bepaald worden door de verhouding tussen twee krachten die in het universum actief zijn. De eerste is de zwaartekracht, die materie en energie samentrekt. De tweede is de kracht die verantwoordelijk is voor de expansie van het universum. Die kracht is naar buiten toe gericht en werkt de zwaartekracht tegen. Zal de verhouding tussen die twee krachten blijven zoals ze nu is? Of zal die veranderen? Mocht in de toekomst de zwaartekracht aan belang winnen, dan zou er normaal ooit een einde moeten komen aan de expansie van het universum. In het tegenovergesteld scenario met een expansiekracht die belangrijker wordt zou het universum zich versnellend moeten uitzetten.

Onderzoek naar de toekomst van het universum is dus zeker niet evident, maar gelukkig heeft de algemene relativiteitstheorie ons heel wat bijgebracht. Sinds de relativiteitstheorie weten wij dat de ons vertrouwde ruimte een veranderlijke, gekromde ruimte is en dat de graad van de kromming ervan bepaald wordt door de aanwezige massa-energie. Meer massa-energie betekent een grotere kromming, minder massa-energie een kleinere kromming.

Aan de hand van die theorie is het ook mogelijk om een kritische waarde te bepalen voor de gemiddelde dichtheid op grote schaal van de massa-energie van het universum. Die kritische waarde, vaak voorgesteld door de Griekse letter Ω, is gelijk is aan 5 atomen waterstof per kubieke meter. Het is die kritische waarde die bepalend zal zijn voor de vorm en de toekomst van het universum. Een universum met een gemiddelde dichtheid die kleiner is dan Ω zal evolueren naar een open universum met een negatieve kromming (Big Rip). Een universum met een gemiddelde dichtheid die groter is dan Ω zal daarentegen evolueren naar een gesloten universum, met een positieve kromming (Big Crunch). Een universum met een gemiddelde dichtheid gelijk aan Ω zal verder evolueren naar een vlak universum.

Beelden van het prille heelal

Aangezien de hoeveelheid massa-energie in het universum bepalend is voor de vorm van het universum wordt de volgende vraag wel heel belangrijk: hoe kan men de gemiddelde hoeveelheid massa-energie in het universum bepalen?

In dit verband deden twee ingenieurs, Arno Penzias en Robert Wilson, in 1964 een zeer belangrijke ontdekking. Zij ontdekten het bestaan van een zwakke kosmische achtergrondstraling die een overblijfsel bleek te zijn van de straling die uitgezonden werd toen het universum slechts 380.000 jaar oud was. Verschillende satellieten zorgden later voor verbluffende beelden van dit toen nog heel prille universum.

Copyright afbeelding: NASA / WMAP Science Team

De gedetailleerde foto hierboven werd genomen door de WMAP-satelliet, die in staat was om temperatuurverschillen te meten tot op 0,001 kelvin nauwkeurig. Op basis van de donkere vlekken, die wijzen op een warmere ophoping van materie, en van de minder warme lichtere vlekken konden astronomen niet alleen de ouderdom en de vorm van het universum afleiden maar ook de gemiddelde dichtheid ervan. En die bleek gelijk te zijn aan de kritische dichtheid Ω. Volgens deze resultaten zouden wij dus leven in een vlak universum.

Helaas, de resultaten die bekomen waren uit de analyse van satellietbeelden klopten absoluut niet met de gedane waarnemingen. Hoe indrukwekkend de massa's van sterren, sterrenstelsels en intergalactisch stof voor ons ook mogen zijn, toch vormen ze samen amper 5% van de beoogde kritische dichtheid Ω: een gemiddelde van 0.2 atomen waterstof per kubieke meter in plaats van 5 waterstofatomen.

Waar ligt nu de waarheid? Zijn de resultaten bekomen uit de foto's van de satellieten verkeerd? Of is er misschien iets dat ons ontsnapt? Is er nog een andere ongekende materie aanwezig in het universum?

Het bestaan van donkere materie

Het is pas op dat moment, geconfronteerd met dit probleem, dat astronomen het belang begonnen in te zien van de resultaten die Fritz Zwicky in 1933 had bekomen bij het bestuderen van de bewegingen van melkwegstelsels in de Coma cluster, een grote groep sterrenstelsels die zich op een afstand van 300 miljoen lichtjaar bevindt en meer dan duizend melkwegstelsels bevat. Zwicky had vastgesteld dat de rotatiesnelheden van die sterrenstelsels zo groot waren dat die onmogelijk konden verklaard met de gekende massa van alle sterren van die cluster.

Een bevestiging van Zwicky's waarnemingen kwam er pas in 1970 dankzij het werk van Vera Rubin. Zij ontdekte een gelijkaardig fenomeen voor de rotatiebewegingen van sterren in de Andromedanevel. Ook hier was de totale massa van de Andromedanevel veel te klein om de waargenomen snelheden van de sterren te kunnen verklaren.

Die waargenomen snelheden waren en zijn nog steeds een groot raadsel. De enige verklaring die men ervoor heeft is het bestaan te veronderstellen van een voor ons nog ongekende materie, die men de zeer toepasselijke naam ‘donkere materie’ heeft gegeven. Tot op de dag van vandaag blijft het gissen naar de ware aard ervan.

Het bestaan van die donkere materie werd nog kracht bijgezet door de ontdekking van het bestaan van zwaartekrachtslenzen, een fenomeen waarbij het licht door de zwaartekracht van een object wordt afgebogen.

Copyright afbeelding: ESA Science & Exploration

Aangezien volgens de relativiteitstheorie de massa-energie de ruimte vervormt zal voor een waarnemer het licht dat afkomstig is van een ver sterrenstelsel afgebogen worden door de tussenliggende melkwegcluster. Die tussenliggende melkwegcluster gedraagt zich dus als een optische lens. Zijn tussenliggende massa zal bepalend zijn voor de graad van afwijking van het licht. Op die manier wordt het dus mogelijk om uit de afwijking van het licht de grootte van de tussenliggende massa te bepalen.

Dit alles werd bevestigd door beelden die de Hubble-ruimtetelescoop gemaakt heeft van clusters die 1 miljard lichtjaar ver liggen. De resultaten wijzen duidelijk op de aanwezigheid van ongekende materie: de donkere materie.

Men raamt dat de hoeveelheid donkere materie in het universum ongeveer vijf keer groter is dan de hoeveelheid gewone materie. Dit betekent dus dat het universum voor ongeveer 30% zou bestaan uit gewone en donkere materie samen.

Waar is de resterende materie?

Maar als, zoals voorspeld uit analyse van satellietfoto's, het universum vlak is met een gemiddelde dichtheid gelijk aan Ω, dan is onze boekhouding van de massa-energie van het universum nog verre van volledig: ongeveer 70% ontbreekt nog, en dat is heel veel. Waar is die resterende materie?

Nu verschijnen voor ons verhaal drie andere belangrijke astronomen: Saul Perlmutter, Brian Schmidt en Adam Riess. Zij hadden in 1998 een studie opgezet om over een langere periode de expansiesnelheid van het universum te onderzoeken. Om hun doel te bereiken moesten ze wel voor verschillende tijdstippen van het bestaan van het universum over twee parameters beschikken, namelijk de verwijderingssnelheid van sterrenstelsels en de afstand tot die sterrenstelsels.

De verwijderingssnelheid van sterrenstelsels meten is relatief eenvoudig. Men kan deze afleiden uit de roodverschuiving in het lichtspectrum van de sterren. Het Dopplereffect is hiertoe een klassiek en vertrouwd instrument.

De afstand tot die sterrenstelsels is in deze context eveneens een belangrijk gegeven, want die levert ons, na deling door de lichtsnelheid, de tijd dat het licht nodig had om ons te bereiken. Uit de afstand kan men dus afleiden hoever wij in het verleden terugkijken.

Om de afstand tot veraf gelegen sterrenstelsels te bepalen maakten Perlmutter en zijn collega's gebruik van een speciaal soort sterren, de supernovae van het type Ia. Dit soort supernova ontstaat wanneer een witte dwergster materie aantrekt van een nabije grotere ster. Hierdoor zwelt deze witte dwerg gestadig op. Eenmaal een bepaalde limiet bereikt is, zullen dergelijke witte dwergen steeds met eenzelfde intrinsieke helderheid exploderen. Deze supernovae kunnen dus in het universum gebruikt worden als ‘standaardkaarsen’. Een vergelijking met de schijnbare helderheid maakt het ten slotte mogelijk om de afstand tot die supernovae te bepalen.

Copyright afbeelding: NASA Scientific Visualization Studio

Evolutie van het universum

Door de verwijderingssnelheid van die sterren te koppelen aan de overeenstemmende ouderdom van het universum krijgt men dan een inzicht in de evolutie van het universum.

Het onderzoek i.v.m. de supernovae van type Ia leidde wel tot totaal onverwachte resultaten. Tegen alle verwachtingen in bleek het universum, na miljarden jaren een vertraagde expansie te hebben gekend, sinds ongeveer zeven miljard jaar opnieuw een versnelde expansie te kennen.

Hoe kan die nieuwe trend in de evolutie van het universum verklaard worden? Hoe kan het universum, na een vertraagde expansie te hebben gekend, opnieuw een versnelde expansie kennen? Het was en is nog steeds een open vraag.

De enige verklaring die men voor die versnelde expansie heeft is de aanwezigheid in het universum van een repulsieve kracht die de zwaartekracht tegenwerkt, en die men ‘donkere energie’ noemt. Ongeveer 70% van het universum zou bijgevolg bestaan uit die donkere energie.

En zo is onze boekhouding rond: met 5% gewone materie, 25% donkere materie en 70% donkere energie bereikt men de kritische dichtheid Ω.

Het universum zou dan een vlak universum zijn.

Een universum met of zonder donkere energie?

Het zal wel niemand verwonderen dat donkere energie die 70% van het universum zou uitmaken, vandaag één van de grote problemen is van de kosmologie. Wat is die donkere energie? Bestaat ze überhaupt? Waarom deed die versnelde expansie van het universum zich pas voor na zeven miljard jaar bestaan van het universum? Kan men voor het universum een model opbouwen zonder een beroep te moeten doen op die donkere energie?

Zoveel vragen die voorlopig zonder antwoord blijven.

Of zal de nieuwe theorie die uitgewerkt werd door professor Wiltshire een tipje van de sluier oplichten in verband met dit grote raadsel? Alleen de toekomst zal het uitwijzen.

Mocht het Timescape model van Wiltshire bevestigd worden, dan zou een groot deel van wat hierboven geschreven staat en dat nu voor wetenschappelijke waarheid doorgaat wellicht naar de prullenmand verwezen worden.

Maar niet getreurd, want tijdelijkheid is het lot van elke wetenschappelijke waarheid. Zo gaat de wetenschap nu eenmaal vooruit…

Tekst: Emile Beyens, zomer 2025