Begrippen - definitiesObjecten

Wat is donkere energie?

Donkere energie is de dominante vorm van energie in het heelal en is de drijvende kracht achter de versnellende uitdijing van het heelal. Maar wat donkere energie nu precies is, is nog steeds een raadsel.

Tijdslijn ontstaan van het heelal
Deze afbeelding toont een tijdslijn van het heelal gebaseerd op de Oerknal in de inflatiemodellen. (Image credit: NASA/WMAP)

Donkere energie is een hypothetische vorm van energie die door natuurkundigen is bedacht om uit te leggen waarom het heelal niet alleen uitdijt maar dat ook steeds sneller doet.

Denk aan donkere energie als de “slechte tegenhanger” van de zwaartekracht – een “anti-zwaartekracht”-kracht die een negatieve druk uitoefent die het heelal vult en de structuur van de ruimtetijd uittrekt. Daarbij drijft donkere energie kosmische objecten steeds sneller uit elkaar in plaats van ze samen te trekken zoals de zwaartekracht dat doet.

Donkere energie is naar schatting verantwoordelijk voor 68 – 72 procent van de totale energie en materie van het heelal – zijn materie/energiebudget – wat betekent dat het zowel donkere materie als alledaagse materie sterk domineert.

Het enige echte antwoord op de vraag “wat is donkere energie”  is momenteel “dat weten we niet”. Hoe onbevredigend dit ook mag zijn. Wetenschappers tasten echter niet volledig in het donker. Er zijn enkele leidende kandidaten die donkere energie mogelijk kunnen verklaren.

Deze omvatten de vacuümenergie van de ruimte – deeltjes die letterlijk in en uit het bestaan in de lege ruimte springen – en een “vijfde kracht” die verantwoordelijk is voor de negatieve druk die de versnelde uitdijing van het heelal zou kunnen veroorzaken.

Andere mogelijkheden zijn o.a. een reeks van verschillende “smaken” van velden die donkere energie zouden kunnen verklaren, zoals een veld met lage energie genaamd “kwintessens”, velden van tachyonen – hypothetische deeltjes die sneller reizen dan het licht en dus terug in de tijd.

Dit alles blijft puur hypothetisch en dat betekent dat de enige manier waarop we donkere energie momenteel echt kunnen “kennen” is via het effect ervan op het heelal.

Wat donker energie doet en niet doet

Als donkere energie ervoor zorgt dat het heelal steeds sneller uitdijt zouden we dan niet moeten zien dat onze koffiemok van ons wegschuift of dat ons woon-werkverkeer elke dag langer wordt?

Dit soort dingen zien we niet gebeuren (ook al voelt het misschien soms wel alsof) omdat objecten die door de zwaartekracht gebonden zijn, zoals sterren, planetaire systemen , sterrenhopen, sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en zelfs onze koffiemok en tafel de effecten van donkere energie niet lijken te ervaren. Zwaartekracht verslaat op kleine schaal nog steeds de donkere energie.

Donkere energie lijkt alleen te werken op de grootste schaal van het heelal waarbij de uitdijing van het heelal een fenomeen is dat alleen kan worden gemeten door sterrenstelsels en andere kosmische objecten te observeren die worden gescheiden door enorme golven in de ruimte in de orde van miljoenen, miljarden en zelfs tientallen miljarden lichtjaren van elkaar en van ons verwijderd. En hoe groter de afstand die deze kosmische objecten scheidt hoe sneller ze van elkaar weg racen.

Als eenvoudige analogie hiervoor, stel je voor dat je drie stippen tekent op een leeggelopen ballon, twee dicht bij elkaar en de andere verder uit elkaar. In deze analogie is donkere energie de adem die je in de ballon blaast en de zwaartekracht overwint. Dit wordt weergegeven door de spanning van de rubberen huid van de ballon. Terwijl de ballon wordt opgeblazen bewegen alle drie de punten van elkaar weg, maar het verste punt beweegt sneller weg.

Dit is als drie sterrenstelsels, twee dicht bij elkaar en de andere verder weg, waarvan de laatste sneller beweegt omdat de ruimte ertussen en de andere sterrenstelsels, zoals het rubber van de ballon, uitrekt en meer ruimte betekent meer expansie.

Momenteel schatten wetenschappers dat sterrenstelsels elke miljoen jaar 0,007% verder van elkaar verwijderd raken. Dit betekent voor een kosmisch object op 100 miljoen lichtjaar dat het zich met een snelheid van 2150 kilometer per seconde terugtrekt. Ondertussen gaat een sterrenstelsel op een afstand van 1  miljard lichtjaar 10 keer sneller achteruit met een snelheid van ongeveer 21.500 kilometer per seconde.

De uitdijingssnelheid is gemeten voor het sterrenstelsel GN-z11, een van de oudste sterrenstelsels die ooit zijn ontdekt en dat we zien zoals het was toen het heelal nog maar 400 miljoen jaar oud was. Op een geschatte afstand van 32 miljard lichtjaar breidt donkere energie het weefsel van de ruimte zo snel uit dat GN-z11 van ons weg beweegt met een geschatte snelheid van 687.000 kilometer per seconde. Dat is meer dan tweemaal de snelheid van het licht.

Hoewel het klopt dat er niets sneller door de ruimte kan reizen dan de snelheid van het licht door een vacuüm (299.792 kilometer per seconde), toont donkere energie aan dat de weefselruimte zelf niet gebonden is aan dergelijke snelheidslimieten.

Terwijl ze uit elkaar gaan behouden sterrenstelsels hun vorm en spreiden ze zich intern niet uit elkaar dankzij een ander “donker” aspect van het heelal – donkere materie.

Laat je niet misleiden door de gelijkaardige namen, donkere energie en donkere materie, soms gegroepeerd en beschreven als het “donkere” heelal – worden niet verondersteld gerelateerd te zijn, afgezien van een paar oppervlakkige overeenkomsten.

Donkere energie versus donkere materie – wat is het verschil?

Beide “donkere” aspecten van het heelal zijn mysterieus en hebben tot nu toe elke verklaring getrotseerd. Beide kunnen niet direct worden gedetecteerd, hun bestaan wordt afgeleid uit het effect dat ze hebben op zichtbare materie. Maar het is onjuist om donkere energie simpelweg te zien als het energie-equivalent van donkere materie.

Donkere materie heeft geen interactie met licht, net als materie die bestaat uit atomen gemaakt van protonen en neutronen, onderdeel van de baryonfamilie van deeltjes die ons elke dag omringt en bekend staat als de “baryonische materie”.

Donkere materie is daarom letterlijk “donker” en daarom wordt het voorvoegsel in “donkere materie” meer letterlijk gebruikt dan gebruikt in “donkere energie” in plaats van alleen maar te verwijzen naar een mysterieuze aard alleen.

De belangrijkste manier waarop we weten dat donkere materie bestaat is door het zwaartekrachtseffect van het bij elkaar houden van sterrenstelsels. Zonder de zwaartekracht van donkere materie wervelen sterrenstelsels zo snel dat de zwaartekracht van hun zichtbare materie – sterren, planeten, gas en stof – onvoldoende zou zijn om te voorkomen dat ze uit elkaar vliegen.

Dat betekent dat donkere energie op grote schaal dingen uit elkaar duwt, terwijl donkere materie sterrenstelsels op kleinere schaal bij elkaar houdt. In dat opzicht zou je bijna kunnen zeggen dat donkere energie en donkere materie tegengestelde effecten hebben in het heelal.

Het is bijna alsof donkere energie en zwaartekracht in een kosmisch touwtrekken zijn verwikkeld met het heelal als touw. De belangrijkste concurrent met de meeste “aantrekkingskracht” aan de kant van de zwaartekracht is de donkere materie. Maar hoeveel “spierkracht” heeft donkere materie eigenlijk.

In termen van energie en materie-inhoud van het heelal hebben we gezien dat donkere energie goed is voor ongeveer 68 – 72%. Dat laat ongeveer 32 – 28% van het materie- en energiebudget van het heelal over voor al het andere – voornamelijk donkere materie en baryonische materie.

Volgens CERN weegt donkere materie in het heelal zwaarder dan baryonische materie met een verhouding van ongeveer 6 op 1. Dat betekent dat ongeveer 25% van dit energie/materie budget donkere materie is en resulteert in het schokkende besef dat de materie die sterren, planeten en alles wat we om ons heen zien, samenstelt, niet meer is dan % van de totale inhoud van het heelal.

Het is geen wonder dat het oplossen van het mysterie van het donkere heelal een dringende zorg is geworden voor astronomen. Het bestaan ervan betekent immers dat we letterlijk geen idee hebben wat ongeveer 95% van het heelal is.

Welk bewijs hebben we voor donkere energie?

Eind jaren ‘90 werd er door twee onafhankelijk werkende teams voor het eerst gesproken over donkere energie toen werd ontdekt dat het heelal versnelt uitdijt.

Deze teams voerden onderzoeken uit naar Type Ia supernova’s. Dit zijn kosmische explosies die optreden als massieve sterren sterven. Ze produceren dan lichtemissies die zo uniform zijn dat ze uitstekend geschikt zijn voor het meten van kosmische afstanden.

Dit komt omdat naarmate het heelal uitdijt, licht van verre bronnen dat er lang over doet om de Aarde te bereiken, zijn golflengte heeft “uitgerekt”. Omdat rood een kleur is die wordt geassocieerd met langgolvig licht, resulteert dit in een rood worden van licht dat astronomen “roodverschuiving” noemen.

Hoe verder een lichtbron weg is hoe meer het licht rood verschoven is, met bronnen op extreem verre afstanden die bestonden toen het heelal nog jong was, verschoven naar het infrarode deel van en elektromagnetische spectrum.

De astronomen observeerden deze zogenaamde “standaardkaars”-supernova’s om te proberen de snelheid van de uitdijing van het heelal te meten – dit wordt de Hubble-constante genoemd.

Wat ze ontdekten waren dat verder verwijderde supernova’s, die waren geëxplodeerd toen het heelal veel jonger was, veel zwakker waren dan verwacht. Dit betekende dat deze supernova’s verder weg waren dan ze zouden moeten zijn, wat impliceert dat de uitdijing van het heelal versnelde.

Deze ontdekking zou worden bevestigd met vervolgwaarnemingen en door metingen van een stralingsveld dat overbleef van net na de Oerknal, de kosmische microgolfachtergrondstraling genoemd.

het heelal van de WMAP
De kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht door de WMAP (credit: NASA)

De kosmologische constante en donkere energie – de slechtste voorspelling in de geschiedenis van de fysica

De ontdekking van de roodverschuiving van licht van verre bronnen en dus de van de uitdijing van het heelal door de beroemde astronoom Edwin Hubble dwong Albert Einstein ertoe een factor te verwijderen uit zijn vergelijkingen die de kosmologische constante wordt genoemd, aangeduid met de Griekse letter Lambda (λ).

Toen Einstein in 1915 zijn Algemene Relativiteitstheorie formuleerde was hij verrast dat die aangaf dat het heelal moest uitdijen of samentrekken. Omdat de grote wetenschapper het idee van een steady state heelal aanging (zoals vele anderen in dit tijd) was dit een probleem.

Om hiermee om te kunnen gaan introduceerde Einstein λ – een zelfverklaarde mats-factor die hij later zou hebben omschreven als zijn grootste blunder – als een vorm van “anti-zwaartekracht” om de zwaartekracht in evenwicht te brengen en ervoor te zorgen dat het heelal dat hij modelleerde een stabiel heelal was zonder uitdijing of samentrekking.

De kosmologische constante bleef dus beperkt tot de kosmische vuilnisbak maar zou daar niet lang blijven. De onthulling dat de uitdijing van het heelal versnelt was nog verbazingwekkender dan de ontdekking van Hubble en ironisch genoeg dwong het kosmologen om de kosmologische constante λ te redden. Tegenwoordig wordt λ gebruikt om het effect van donkere energie weer te geven, een nieuwe vorm van “anti-zwaartekracht:  die het heelal uit elkaar drijft in plaats van stabiel te houden.

Helaas is de kosmologische constante λ nu net zo’n hoofdpijndossier voor kosmologen als voor Einstein, misschien nog wel meer.

De hoofdverdachte die momenteel λ moet verklaren is de vacuümenergie van de ruimte zelf die in feite een negatieve druk uitoefent op objecten. Dit zou impliceren dat donkere energie overal hetzelfde is. Met deze verklaring is echter een groot probleem.

Er bestaat een enorm verschil tussen de grote waarde van de vacuümenergie die wordt gesuggereerd door de kwantumtheorie en de waarde van λ die wordt gegeven door waarnemingen. De theoretische schatting voor deze energie van lege ruimte uit de kwantumveldtheorie is ergens in de grootte orde van 1*10120 en dat is groter dan de waarde van λ die astronomen waarnemen in het heelal door te kijken naar de roodverschuiving van supernova’s.

Het is niet voor niets dat schattingen van λ uit de kwantumveldtheorie door sommige wetenschappers “de slechtste theoretische voorspelling in de geschiedenis van de natuurkunde” wordt genoemd. Maar zowel de verfijning van dit gebied van de fysica als onze vorderingen in de astronomie helpen deze ongelijkheid niet weg te nemen. Ze versterken deze eerder.

Toch is dit niet de enige reden dat donkere energie zo zorgwekkend is.

Waarom is donkere energie zo’n probleem?

De ontdekking van Hubble dat het heelal aan het uitdijen is heeft misschien de wetenschappelijke gemeenschap geschokt, inclusief Einstein, maar het besef dat deze uitdijing versnelde en de noodzaak om donkere energie te introduceren was echt verbluffend en veel verontrustender voor natuurkundigen.

Dit is vóór het einde van de jaren ’90. Natuurkundigen gingen ervan uit dat alle vormen van materie en energie aantrekkers zouden zijn en dat het heelal uiteindelijk zijn uitdijing zou vertragen dankzij het effect van de zwaartekracht.

De ontdekking van donkere energie en de versnelde uitdijing van het heelal hebben dit idee volledig op zijn kop gezet. Om je voor te stellen waarom dit zo verontrustend is voor natuurkundigen kun je een andere eenvoudige analogie overwegen.

Stel je voor dat je een kind op een schommel duwt waarbij de eerste dus analoog is aan het begin van de eerste periode van snelle inflatie die we de Oerknal noemen.

De schommel bereikt op een bepaald moment het uiterste punt in zijn boog – analoog aan de onmiddellijke snelle expansie die kenmerkend is voor de Oerknal – en begint dan te vertragen: het kind en de schommel komen langzaam tot stilstand.

De aanvankelijke inflatie is naar schatting tussen 10-33 en 10-32 seconden na de Oerknal gestopt en de expansie gaat daarna nog miljarden jaren door, zij het dan veel langzamer.

Tijdens deze periode van het heelal was de zwaartekracht de dominante kracht. Hierdoor konden er steeds grotere structuren ontstaan zoals sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Toen, naar schatting 3 – 7 miljard jaar geleden, gebeurde er iets interessants. Donkere energie nam het over van de zwaartekracht en het heelal begon weer snel uit te breiden.

Terugkomend op ons schommelscenario, het begin van deze tweede expansieperiode is alsof het zwaaien, plotseling, zonder verdere druk uit te oefenen, sneller en sneller gaat en grotere hoogtes bereikt. De zwaartekracht lijkt te worden uitgeschakeld.

Wat donkere energie doet met het weefsel van de ruimtetijd in dit door donkere energie gedomineerde tijdperk van het heelal is analoog aan die “fantoomduw”.

Als je je zorgen maakt over wat er gebeurt met het kind op de schommel terwijl het sneller gaat in onze analogie bedenk dan hoe bezorgd kosmologen moeten zijn over wat donkere energie betekent voor het lot van het heelal.

Waarom is het belangrijk om donkere energie te begrijpen?

Het begrijpen van donkere energie is belangrijk om een nauwkeurig model van het heelal te kunnen bouwen en te weten hoe dat in de loop van de tijd is geëvolueerd inclusief de vorm die het aanneemt en hoe het zal eindigen.

Zowel de oorsprong als het lot van het heelal worden bepaald door de “kritische dichtheid” die omschreven kan worden als “de gemiddelde dichtheid van materie die het heelal nodig heeft om zijn uitdijing te stoppen, maar pas na een oneindige tijd.”

Als de materie/energiedichtheid van het heelal gelijk is aan de kritische dichtheid dan is het heelal in termen van geometrie zo plat als een vel papier. In een door materie gedomineerd heelal ligt de kritische dichtheid tussen de dichtheid die vereist is voor een instortend “zwaar heelal” en de dichtheid van een “licht heelal” dat voor altijd uitdijt.

De totale inhoud van het heelal zonder donkere energie is slechts ongeveer 30% van wat nodig is voor een plat heelal. Dit is het type geometrie dat het heelal zou moeten hebben als het door de Oerknal is ontstaan. Dit komt omdat vroege inflatie het heelal geometrisch als een vel papier had moeten “gladstrijken”.

De toevoeging van donkere energie aan het massa-energiebudget van het heelal “vult” het voldoende op om het heelal plat te maken en in de eenvoudigste modellen van kosmische inflatie brengt het de dichtheid van het heelal dicht bij de kritische dichtheid.

Vóór de introductie van donkere energie gingen kosmologen ervan uit dat de aantrekkingskracht van de zwaartekracht uiteindelijk de uitdijing van het heelal zou overtreffen. Dit zou kunnen leiden tot een paar mogelijke “einden” van het heelal waarvan er één de “Grote Krimp” suggereerde; een heelal dat zou beginnen samen te trekken.

De versnelling van de uitdijing van het heelal verdrijft dit idee. Als donkere energie de uitdijing van het heelal blijft versnellen dan zou zijn lot, in plaats van een “Grote Krimp” een “Grote Uitdijing” kunnen zijn.

Dit is een scenario waarin donkere energie uiteindelijk dominant wordt over alle fundamentele krachten in het heelal – zwaartekracht, elektromagnetisme en de sterke en zwakke kernkrachten – alles wat momenteel door die krachten met elkaar wordt verbonden, of het nu gaat om sterrenstelsels, planeten, mensen, zelfs de protonen en neutronen waaruit atomen bestaan.

Het is dus zaak om die koffiemok goed in de gaten te houden …

Eerste publicatie: 11 augustus 2013
Volledige revisie: 6 maart 2023
Bron: space.com & anderen