Nieuwe berekening zegt dat het heelal bijna 14 miljard jaar oud is

Atacama Cosmology Telescope
By M. Devlin. – M. Devlin, University of Pennsylvania, CC BY-SA 4.0, Link

Astronomen hebben met behulp van de Atacama Cosmology Telescope de leeftijd van het heelal proberen te berekenen. Uitgaande van hun nieuwe waarnemingen en wat kosmische geometrie hebben ze berekend dat het heelal, met een foutmarge van 40 miljoen jaar, 13,77 miljard jaar oud is.

De nieuwe berekening komt goed overeen met de waarde die door het standaardmodel van het heelal voor voorgeschreven en die is berekend aan de hand van waarnemingen van de Europese Planck satelliet. Dit zorgt voor een nieuwe draai in de nog steeds gaande zijnde discussie onder kosmologen over de leeftijd van het heelal.

De bevindingen van de onderzoeksgroep zijn op 30 december 2020 onder de titel “The Atacama Cosmology Telescope: a measurement of the Cosmic Microwave Background power spectra at 98 and 150 Ghz”, gepubliceerd.

In 2019 berekende een team aan de hand van de bewegingen van sterrenstelsels dat het heelal honderden miljoenen jaren jonger is dan het Planck team had berekend. Dat verschil suggereerde dat er wellicht een nieuw model voor het heelal opgesteld moest worden en het verschil zaait ook twijfel over de juistheid van andere metingen.

Astronomen zijn blij dat er een antwoord is waar zowel Planck als ACT het over eens zijn. De moeilijke metingen zijn bovendien betrouwbaar gebleken.

De kosmische achtergrondstraling
Een deel van de nieuwe opname van het oudste licht in het heelal. De opname is gemaakt met de Atacama Cosmology Telescope. Dit deel van de sterrenhemel bedekt een gebied met een breedte van 50 * de Maan. In de ruimte is het een gebied met een doorsnede van 20 miljard lichtjaar. Het licht, dat 380.000 jaar na de Oerknal is uitgezonden, varieert in polarisatie (de rodere en blauwere kleuren). Astrofysici gebruiken de afstand tussen deze variaties om een nieuwe berekening te maken van de leeftijd van het heelal. Credit: ACT Collaboration

De leeftijd van het heelal onthult ook hoe snel het heelal uitdijt. Dit getal wordt voorgesteld door de Hubble constante. De metingen van de ACT duiden op een Hubble constante van 67,6 kilometer per seconde per megaparsec. Dat betekent dat een object dat 1 megaparsec verwijderd is van de Aarde (ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar) zich, als gevolg van de uitdijing van het heelal, met een snelheid van 67,6 kilometer per seconde van ons verwijderd.

Dit resultaat komt uitermate goed overeen met de eerste berekeningen van 67,4 kilometer per seconde per megaparsec van het Planck-team maar is veel langzamer dan de 74 kilometer per seconde per megaparsec die werd afgeleid van de metingen aan sterrenstelsels.

De onderzoekers geven aan dat ze geen voorkeur hebben voor een specifieke waarde maar blij zijn dat hun metingen overeenstemmen met de Planck-waarde want dit geeft meer vertrouwen over het oudste licht van het heelal. Maar het verschil tussen de metingen suggereert wel dat er of iets mis is met ons kosmologische heelal of dat er iets mis is met de metingen.

Verschillende lokale metingen van het heelal vinden een consistent hogere waarde voor de Hubble constante. En het is nu voor het eerst dat twee onafhankelijke metingen van de kosmische achtergrondstraling consistente lagere waardes vinden voor de Hubble constante. De kosmische achtergrondstraling markeert het feit dat 380.000 jaar na de Oerknal protonen en elektronen werden samengevoegd tot de eerste atomen. Voor die tijd liet het heelal geen licht door.

Volgens onderzoekers zorgen de toenemende spanningen tussen de verre en de lokale metingen van de Hubble constante er voor dat kosmologen op het punt staan om nieuwe ontdekkingen in de kosmologie te doen die onze kennis over hoe het heelal werkt, zullen veranderen. Daarnaast maken de verschillende metingen duidelijk dat er nog veel onderzoek nodig is en daarbij kunnen aankomende instrumenten die momenteel in ontwikkeling of aanbouw zijn, een belangrijke bijdrage leveren.

Net zoals de Planck satelliet kijkt de ACT naar de kosmische achtergrondstraling, de resterende gloed van de Oerknal.

Als wetenschappers kunnen berekenen hoe ver licht van de kosmische achtergrondstraling heeft gereisd voordat het de Aarde bereikte dan kunnen ze de leeftijd van het heelal berekenen. Klinkt een simpel maar het is verdraaid moeilijk.

Kosmische afstanden berekenen tot de Aarde is lastig. Dus in plaats daarvan meten astronomen de hoek aan de hemel tussen twee verre objecten. De Aarde en de twee objecten vormen daarbij een kosmische driehoek. Als astronomen ook de fysieke scheiding tussen die objecten kennen dan is het met behulp van middelbare school geometrie mogelijk om de afstand van de objecten tot de Aarde te bereiken.

Kleine variaties in de gloed van de kosmische achtergrondstraling bieden ankerpunten om de andere twee hoekpunten van de driehoek te vormen. Die variaties in temperatuur en polarisatie zijn het gevolg van kwantumfluctuaties in het vroege heelal die door het uitdijende heelal werden versterkt tot gebieden met verschillende dichtheden. Uit die dichtere plekken zouden later clusters van sterrenstelsels ontstaan.

De ACT heeft de fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling met een ongekende resolutie gemeten en heeft daarbij de polarisatie van het licht bekeken. De Planck satelliet heeft hetzelfde licht gemeten maar door de polarisatie met een grotere nauwkeurigheid te meten laten de ACT-metingen meer van de oudste patronen in het heelal zien.

De ACT blijft waarnemen waardoor astronomen een nog duidelijker beeld krijgen van de kosmische achtergrondstraling en dus ook een nog beter beeld krijgen hoe lang geleden het heelal is begonnen. Het ACT team zal ook deze waarnemingen onderzoeken op natuurkundige signalen die niet passen in het kosmologische standaardmodel dat we nu hebben. Een dergelijke vreemde natuurkunde zou het verschil tussen de voorspellingen van de leeftijd en de uitdijingssnelheid van het heelal tussen de metingen van de kosmische achtergrondstraling en de beweging van sterrenstelsels kunnen oplossen.

Artikel: “The Atacama Cosmology Telescope: a measurement of the Cosmic Microwave Background power spectra at 98 and 150 GHz”

Eerste publicatie: 9 januari 2021
Bron: spacedaily & anderen