Nieuwe afstandsmetingen botsen met het basismodel van het heelal

schijf materie rond een zwart gat in het centrum van een sterrenstelsel
Artist impressie van een schijf van waterhoudend gas die om een supermassief zwart gat draait dat zich in et centrum van een verwijderd sterrenstelsel bevindt. Door het waarnemen van maser-emissie van dergelijke schijven kunnen astronomen geometrie gebruiken om de afstanden tot sterrenstelsels te berekenen. Een belangrijke voorwaarde voor het bepalen van de Hubble Constante.

Een nieuwe serie nauwkeurige afstandsmetingen die met een internationale verzameling van radiotelescopen zijn uitgevoerd hebben de waarschijnlijkheid dat theoretici hun “standaard model” dat de fundamenten van ons heelal beschrijft moeten herzien.

De nieuwe afstandsmetingen maken het mogelijk om de berekening van de Hubble Constante te verfijnen. De Hubble Constante bepaald de snelheid waarmee het heelal uitdijt en het is een belangrijke waarde om het theoretische model dat de samenstelling en de evolutie van ons heelal beschrijft, te testen. Het probleem is dat de nieuwe metingen het verschil vergroten tussen eerdere waardes van de Hubble Constante en de waarde die wordt voorspeld door het model als de metingen van de kosmische achtergrondstraling die door de Planck satelliet zijn gedaan, wordt toegepast.

De astronomen zien dat sterrenstelsels dichterbij zijn dan het standaard model van de kosmologie voorspelt, en dat bevestigt een probleem dat met andere soorten afstandsmetingen al werd geïdentificeerd. Kosmologen weten niet of dit aan het model zelf ligt of dat er iets met de uitgevoerde metingen aan de hand is. Het nieuwe onderzoek heeft een techniek toegepast die volledig onafhankelijk is van alle andere gebruikte technieken en die versterkt het verschil tussen gemeten en voorspelde waardes. Het is waarschijnlijk dat het basis kosmologische model dat gebruikt wordt voor de voorspellingen het probleem is. Aldus James Braatz van het National Radio Astronomy Observatory (NRAO).

Braatz leidt het Megamaser Cosmology Project. Dit is een internationaal samenwerkingsverband dat de Hubble Constante bepaalt door het vinden van sterrenstelsels met specifieke eigenschappen die ze geschikt maken voor het nauwkeurig bepalen van geometrische afstanden. Het project heeft gebruik gemaakt van de Very Long baseline Array (VLBA), de Karl G. Jansky Very Large Array (VLA) en de Robert C. Byrd Green Bank Telescope (GBT) en de Effelsberg radiotelescoop in Duitsland. Het team heeft zijn bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift “Astrophysical Journal Letters”.

In 1929 was Edwin Hubble de eerste die de expansiesnelheid van het heelal berekende aan de hand van de afstanden van sterrenstelsels en de snelheden waarmee ze zich van ons verwijderen. Hoe verder weg hoe groter die snelheid is. Tegenwoordig is de Hubble Constante een fundamentele eigenschap in de kosmologie en onderwerp van vele onderzoeken.

De snelheid waarmee sterrenstelsels zich van ons verwijderen is relatief eenvoudig te bepalen maar het bepalen van kosmische afstanden is hele andere koek. Afstanden tot objecten in ons eigen sterrenstelsel kunnen bepaald worden met behulp van de parallaxmethode die al sinds 1838 wordt toegepast.

Maar buiten ons sterrenstelsel zijn parallaxen te klein om te meten en dus zijn astronomen aangewezen op zogenaamde “standaard kaarsen”. Die worden zo genoemd omdat hun intrinsieke helderheid bekend is. De afstand tot een object met een bekende helderheid kan worden berekend op basis van hoe zwak het object lijkt te zijn vanaf de Aarde. Tot deze standaardkaarsen behoren o.a. de Cepheïden, een klasse van veranderlijke sterren, en bepaalde explosies van sterren die Type Ia supernova’s worden genoemd.

Een andere methode om de expansiesnelheid van het heelal te bepalen is het waarnemen van verre quasars waarvan het licht wordt afgebogen door een sterrenstelsel op de voorgrond waardoor er meerdere afbeeldingen van die quasar ontstaan. Als de quasar in helderheid varieert dan is die verandering zichtbaar op verschillende tijden in de verschillende afbeeldingen van de quasar. Door het bepalen van dit tijdsverschil in combinatie met berekeningen van de geometrie van de lichtafbuiging kan men een schatting maken van de expansiesnelheid van het heelal.

Bepalingen van de Hubble Constante aan de hand van standaard kaarsen en zwaartekrachtslenzen heeft geleid tot een Hubble Constante van 72-74 kilometer per seconde (de snelheid) per megaparsec (de afstandsmaat die astronomen vaak gebruiken).

Echter, voorspellingen van de Hubble Constante door het standaard kosmologische model toegepast op de metingen van de kosmische achtergrond, de overblijfselen van de Oerknal, geven een waarde van 67,4. Dat is significant anders en een vervelend groot verschil. Volgens astronomen ligt het verschil voorbij de experimentele fouten in de waarnemingen en heeft dit serieuze gevolgen voor het standaard model.

Het model wordt heet Lambda Cold Dark Matter, oftewel Lambda CDM. Lambda verwijst naar de kosmologische constante van Einstein en vertegenwoordigt de donkere energie. Dit model verdeelt de samenstelling van et heelal voornamelijk tussen gewone materie, donkere materie en donkere energie en het beschrijft hoe het heelal sinds de Oerknal is geëvolueerd.

Het Megamaser Cosmology Project richt zich op sterrenstelsels met schijven die waterhoudend moleculair gas bevatten die rond superzware zwarte gaten in het centrum van dat sterrenstelsel. Als de schijf bijna van opzij wordt bekeken dan zijn er heldere vlekken van radiostraling, die masers worden genoemd (de radio equivalent van zichtbaar licht lasers), zichtbaar die gebruikt kunnen worden de grootte en de hoek te bepalen en daarmee ook de afstand. Het projectteam maakte gebruik van een grote collectie radiotelescopen verspreid over de gehele wereld om de nauwkeurige metingen te doen die voor deze techniek vereist zijn.

In hun laatste onderzoek heeft het team de afstandsmetingen van vier sterrenstelsels, op afstanden van 168 miljoen lichtjaar tot 431 miljoen lichtjaar, nauwkeuriger bepaald. Gecombineerd met de eerdere afstandsmetingen van twee andere sterrenstelsels, berekenden ze een waarde voor de Hubble Constante van 73,9 kilometer per seconde per megaparsec.

Het testen van het standaard model van de kosmologie is een enorme uitdaging waarbij gebruik gemaakt moet worden van de beste bepalingen van de Hubble Constante. Het verschil tussen de voorspelde en de gemeten waardes van de Hubble Constante wijzen naar een van de meest fundamentele problemen van allemaal in de natuurkunde. Men wil dus verschillende onafhankelijke metingen hebben die het probleem bevestigen om zo het model te testen. De onderzoekers maken gebruik van geometrie en deze techniek is volledig onafhankelijk van alle andere gebruikte technieken. Deze techniek leidt tot een versterking van de verschillen.

De maser methode om de uitdijing van het heelal te bepalen is een elegante methode die, anders dan de andere methodes, gebruik maakt van geometrie. Door extreem nauwkeurig de positie en de dynamica van de masers in de accretieschijf rond een zwart gat te meten kan men de afstand tot het gaststerrenstelsel bepalen en daarmee de uitdijing. De resultaten verkregen met deze methode versterken het idee dat de observationele kosmologie een groot probleem heeft.

De waardes voor de Hubble Constante, verkregen met de maser methode, liggen in de buurt van andere recente metingen en ze verschillen statistisch erg van de voorspellingen op basis van de kosmische achtergrondstraling en het standaard kosmologische model. Alles wijst erop dat het standaard model aan een revisie toe is.

Astronomen hebben verschillende manieren om het model aan te passen en de het verschil op te lossen. Enkele van deze zijn veranderingen van de aannames op de eigenschappen van donkere energie en het loslaten van de waarde van de kosmologische constante van Einstein. Anderen kijken naar fundamentele veranderingen in de deeltjesfysica zoals veranderen van het aantal type neutrino’s of de mogelijke interacties tussen hen. Er zijn nog andere, veel exotischere, mogelijkheden maar op dit moment hebben wetenschappers geen duidelijk bewijs om onderscheid te maken tussen al deze opties.

Het is een klassiek geval van de interactie tussen waarneming en theorie. Het Lambda CDM model heeft verschillende jaren goed gewerkt maar nu tonen waarnemingen duidelijk aan dat er een probleem is dat men moet oplossen en het lijkt erop dat het probleem zich in het model bevindt. Aldus de onderzoeksgroep.

 

Eerste publicatie: 14 juni 2020
bron: SpaceDaily en anderen