Wat is de Hubble Constante?

Edwin Hubble
Edwin Hubble

De Hubble Constante (de wet van Hubble) is een eenheid die gebruikt wordt om de uitdijing van het heelal te beschrijven. Sinds de Oerknal ongeveer 13,82 miljard jaar geleden is het heelal groter en groter geworden. Het heelal dijt, naarmate het groter wordt, steeds sneller uit.

Wat is de Hubble Constante?

De Hubble Constante is een eenheid die beschrijft hoe snel het heelal op verschillende afstanden van een specifiek punt in de ruimte, uitdijt. Het is een van de hoekstenen van ons begrip over de evolutie van het heelal maar onderzoekers zijn in een verhit debat gewikkeld over de werkelijke waarde van deze Hubble Constante.

Ontdekking

De Hubble constante werd voor het eerst in de jaren ’20 van de vorige eeuw door de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble berekend. Hij ontdekte dat zwakke, wolkachtige objecten aan de sterrenhemel verre sterrenstelsels waren die zich ver voorbij ons eigen sterrenstelsel bevinden.

Eerder had de Amerikaanse astronome Henrietta Leavitt aangetoond dat speciale sterren, de Cepheïde veranderlijken, waarvan de helderheid regelmatig stijgt end aalt, een nauw verband hadden tussen de periode van hun variatie en hun intrinsieke helderheid. Door te weten hoe helder een Cepheïde werkelijk is en hoe zwak zijn licht is vanaf de Aarde gezien kon Hubble de afstand tot deze Cepheïden berekenen.

Wat Hubble ontdekte was in die tijd zeer opmerkelijk. Alle sterrenstelsels in het heelal leken weg te bewegen van de Aarde. Bovendien, hoe verder een sterrenstelsel was, hoe sneller het zich verwijderde. Deze waarneming, die Hubble in 1929 deed, werd de basis voor wat bekend is geworden als de wet van Hubble. Deze wet stelt dat er een verband bestaat tussen de afstand die een object in het heelal van ons heeft en de snelheid waarmee het zich van ons verwijderd.

De Aarde bevindt zich overigens niet op een bevoorrechte plek in het centrum van het heelal. Elke waarnemer op een willekeurige locatie in het heelal zal zien dat objecten in het heelal zich met een snelheid verwijderen die toeneemt met de afstand.

Met behulp van zijn gegevens probeerde Hubble de constante te berekenen die zijn naam is gaan dragen. Hij kwam uit op een waarde van 501 kilometer per seconde per megaparsec (Mpc). Een megaparsec komt overeen met 3,26 miljoen lichtjaar. Nauwkeurigere moderne technieken hebben deze initiële berekening verfijnd en aangetoond dat deze ongeveer 10 keer te hoog was.

Cepheïde veranderlijke sterren

Er bestaan heel veel verschillende soorten veranderlijke sterren maar er is er eentje die heel geschikt is voor het bepalen van de Hubble Constante en dit zijn Cepheïde-veranderlijke sterren. Dit zijn sterren die regelmatig, met een periode van meestal tussen 1 en 100 dagen, in helderheid veranderen (Onze Poolster bijvoorbeeld is ook een Cepheïde-veranderlijke ster). Door het bepalen van de variabiliteit van de helderheid kunnen astronomen zeer nauwkeurig de afstand tot die ster berekenen.

Hoe helderder een Cepheïde is gezien vanaf de Aarde hoe beter die is te meten. Sommige Cepheïden kunnen vanaf de grond worden bekeken maar de nauwkeurigste metingen moeten vanuit de ruimte worden gedaan.

Edwin Hubble kon tot op 900.000 lichtjaar afstand Cepheïden meten maar in het immense heelal is dat in de spreekwoordelijke achtertuin van de Aarde. Verder weg in het heelal worden Cepheïden zwakker en worden metingen veel lastiger. Hier komt de Hubble Telescope om de hoek kijken. In 2013 werd de Europese GAIA gelanceerd en die is bezig om een uiterst nauwkeurige kaart te maken van de posities en de helderheden van ongeveer 1 miljard sterren. Deze gegevens dragen bij aan het verfijnen van de Hubble Constante.

Cepheïden zijn niet perfect geschikt voor het bepalen van afstanden in het heelal. Ze bevinden zich bijvoorbeeld vaak in stoffige gebieden en de meer verre Cepheïden zijn lichtzwak en daardoor nauwelijks goed te bestuderen.

Er zijn andere technieken ontwikkeld als aanvulling op de Cepheïdemetingen, zoals de Tully-Fisher relatie. Dit is een correlatie tussen de lichtkracht van een spiraalvormig sterrenstelsel en zijn draaiingssnelheid. Het idee achter deze relatie is dat een sterrenstelsel sneller draait naarmate de grootte toeneemt. Als je dus de draaiingssnelheid van een spiraalstelsel weet dan kan je aan de hand van de Tully-Fisher relatie de intrinsieke helderheid afleiden (dat is de werkelijke helderheid van het sterrenstelsel). Door de intrinsieke helderheid te vergelijken met de schijnbare helderheid (dat is de helderheid die je waarneemt waarbij verre sterrenstelsels lichtzwakker lijken te zijn) kan je de afstand berekenen.

Telescopen die de kosmische achtergrondstraling meten, zoals de Europese Planck Space Telescope, gebruiken een heel andere techniek die kijkt naar fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling om de constante te bepalen.

Relatie tussen de helderheid van een Cepheide en de afstand
Deze afbeelding illustreert de relatie tussen de helderheidsvariatie van een Cepheide en zijn lichtkracht. Als je de periode van de helderheidsverandering van een Cepheide weet kan je daaruit zijn absolute helderheid berekenen. Door het vergelijken van de absolute helderheid en de waargenomen helderheid kan de de afstand tot de ster berekenen. De metingen op grote afstanden werden uitgevoerd door de Spitzer Space Telescope (NASA/JPL-Caltech/Carnegie)

Waarom blijft de Hubble constante veranderen?

De exacte waarde van de Hubble constante blijft een probleem. In de jaren ’90 ontdekten astronomen dat verre supernova’s zwakker waren en dus verder weg dan ze eerder hadden vermoed. Deze bevinding gaf aan dat het heelal niet aan het uitdijen is maar ook versneld. Het resultaat vereiste de toevoeging van de donkere energie, een mysterieuze kracht die alles in de kosmos uit elkaar duwt, in de modellen die kosmologen van ons heelal hebben.

Om de snelheid van de kosmische versnelling vast te stellen probeerden astronomen de snelheid van deze kosmische versnelling vast te stellen. Met behulp hiervan kon men er mogelijk achter komen hoe het heelal begon en evolueerde en wat het uiteindelijke lot van het heelal zal zijn. Gegevens van Cepheïden en andere astrofysische bronnen berekenden in 2016 de Hubbleconstante op 73,4 km/sec/Mpc

Maar de waarnemingen van de Europese Planck-satelliet leverden een andere waarde op. Deze ruimtesonde heeft gedurende 10 jaar metingen gedaan van de kosmische achtergrondstraling. De kosmische achtergrondstraling is een overblijfsel van de Oerknal en die bevat gegevens over de basisparameters van het heelal. De berekeningen die gedaan werden aan de hand van de gegevens van de Planck-satelliet leverden in 2018 een Hubble constante op van 67,4 km/s/Mpc.

RS Pupis
De ster RS Puppis, gefotografeerd door de Hubble Space Telescope. De ster is één van de helderste Cepheïden in ons sterrenstelsel die we kennen. (credit: NASA/ESA/Hubble Heritage Team)

De twee waardes lijken misschien niet erg verschillend maar de waardes zijn buitengewoon nauwkeurig en er zijn geen overlappingen in hun foutmarges. Als de Cepheïden-waarde onjuist is, betekent dit fat alle afstandsmetingen die astronomen sinds de dagen van Hubble hebben gedaan, onjuist zijn. Als de tweede schatting niet klopt dan zou er nieuwe en exotische fysica moeten worden geïntroduceerd in de modellen van het heelal die natuurkundigen hebben gemaakt. Tot dusverre is geen van de teams die de cijfers hebben bepaald bereid om grote meetfouten toe te geven.

In juli 2019 gebruikten astronomen een nieuwe techniek om een nieuwe berekening van de Hubble constante te bepalen. Onderzoekers bestudeerden het licht van rode reuzensterren die aan het einde van hun leven allemaal dezelfde piekhelderheid bereiken. Dit betekent dat astronomen, net als bij de Cepheïden, kunnen kijken naar hoe zwakke rode reuzen vanaf de Aarde zichtbaar zijn en hun afstand kunnen berekenen. De nieuwe waarde zat precies tussen de twee oude waardes in: 69,8 km/s/Mpc. Maar wetenschappers hebben nog geen victorie gekraaid.

Wetenschappers weten nog steeds niet welke waarde de juiste is. Het debat gaat dus nog verder. Sommige wetenschappers hebben gesuggereerd dat het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) dat kijkt naar rimpelingen in de ruimtetijd die worden veroorzaakt door botsingen van verwijderde neutronensterren, een ander onafhankelijk datapunt zou kunnen opleveren. Weer anderen kijken naar gravitatielenzen die optreden als extreem zware objecten de ruimtetijd krommen en vervormen als een vergrootglas waardoor een kijkje wordt genomen naar objecten die nog verder weg zijn, om de discrepantie op te lossen. Maar op dit moment weet niemand precies waar en wanneer het definitieve antwoord over de Hubble constante zal verschijnen.

Eerste publicatie: 26 september 2018
Volledige revisie: 22 januari 2021
Bron: Livescience & anderen