Wat is de kosmologische constante?

supernovarestant Kes 75
Het supernovarestant Kes 75 met in het centrum de jongste pulsar die tot nu toe in ons sterrenstelsel is gevonden. De opname is een compositie gemaakt uit opnames van de Chandra röntgentelescoop en optische telescopen. Credit: NASA

De kosmologische constante is vermoedelijk een raadselachtige vorm van materie of energie die tegengesteld werkt aan de zwaartekracht en die door veel natuurkundigen wordt beschouwd als equivalent aan de donkere energie. Niemand weet echt wat de kosmologische constante precies is maar de constante is vereist om in kosmologische vergelijkingen de theorie in overeenstemming te brengen met onze waarnemingen van het heelal.

Wie bedacht de kosmologische constante?

De kosmologische constante is bedacht door Albert Einstein. Hij bedacht in 1915 de universele constante als een middel om bepaalde berekeningen in zijn algemene relativiteitstheorie in evenwicht te brengen. Destijds geloofden natuurkundigen dat het heelal statisch was, noch uitdijend noch samentrekkend, maar Einsteins werk suggereerde dat de zwaartekracht ervoor zou zorgen dat het of het ene of het andere zou doen. Om dus in overeenstemming te zijn met de wetenschappelijke consensus voegde Einstien een “mats”-factor toe, aangeduid met de Griekse letter Lambda, aan zijn resultaten die ervoor zorgde dat het heelal stabiel bleef.

Maar iets meer dan tien jaar later merkte de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble op dat sterrenstelsels feitelijk van ons af bewegen. Dit geeft aan dat het heelal uitdijt. Einstein noemde de introductie van Lambda later zijn grootste fout.

Door de waarnemingen van Hubble hadden astronomen gedurende tientallen jaren geen kosmologische constante nodig maar dat veranderde toen astronomen in de jaren ’90 verre supernova’s onderzochten en ontdekten dat het heelal niet alleen uitdijt maar dat die uitdijing ook nog eens versnelt. Ze noemden de mysterieuze anti-zwaartekracht die nodig is om dit fenomeen te verklaren “donkere energie”.

In de jaren ’20 van de vorige eeuw ontwikkelde de Russische fysicus Alexander Friedmann een vergelijking die nu zijn naam draagt en waarin hij de eigenschappen van het heelal vanaf de Oerknal beschrijft.

Door de Lambda van Einstein af te stoffen en deze in de vergelijking van Friedmann te stoppen konden astrofysici het heelal correct modelleren. Dat wil zeggen, met een versnelde uitdijing. Deze versie van de Friedmann-vergelijking vormt nu de ruggengraat van de hedendaagse kosmologische theorie die bekend staat als ΛCDM (Lambda CDM, CDM = Cold Dark Matter) en die alle bekende componenten van onze werkelijkheid verklaart.

Wat is dit magische getal dan?

Niemand begrijpt echter wat Lambda is. De meeste natuurkundigen beschouwen het als uitwisselbaar met het concept van donkere energie maar dat maakt de zaken er niet duidelijker op omdat donkere energie gewoon een tijdelijke aanduiding is die een onbekende anti-zwaartekrachtsubstantie beschrijft. Dus we zijn in wezen teruggevallen op het gebruik van de “mats”-factor van Einstein.

Een mogelijke verklaring voor de kosmologische constante ligt in het domein van de moderne deeltjesfysica. Experimenten hebben aangetoond dat de lege ruimte doordrongen is van talloze virtuele deeltjes die constant ontstaan en weer verdwijnen. Deze onophoudelijke actie creëert wat bekend staat als een “vacuümenergie”, oftewel een kracht die voortkomt uit de lege ruimte. Inherent aan het weefsel van de ruimtetijd die het heelal uit elkaar zou kunnen drijven.

Maar de vacuümenergie verbinden met de kosmologische constante is niet eenvoudig. Op basis van waarnemingen van supernova’s schatten astronomen dat donkere energie een kleine en rustige waarde moet hebben, net genoeg om alles in het heelal gedurende miljarden jaren uit elkaar te duwen.

Maar als wetenschappers de hoeveelheid energie proberen te berekenen die zou moeten voortkomen uit de beweging van virtuele deeltjes dan komen ze tot een resultaat dat 120 grootteordes groter is dan wat de supernovagegevens suggereren.

En om het raadsel nog groter te maken hebben sommige wetenschappers voorgesteld dat de kosmologische constante misschien helemaal geen constante is maar eerder verandert of fluctueert met de tijd. Deze theorie wordt kwintessens genoemd en sommige projecten, zoals de Dark Energy Survey, doen momenteel zeer nauwkeurige waarnemingen om te zien of ze enige observationele ondersteuning heeft.

Eerste publicatie: 12 maart 2021
Bron: NASA, livescience en anderen