Weten we eindelijk hoe snel het heelal uitdijt?

Kosmologen breken zich al een tijdje het hoofd over de vraag hoe snel het heelal uitdijt. Verschillende meetmethodes leveren verschillende resultaten op. De Zwitserse fysicus Lucas Lombriser denkt dat hij de oplossing gevonden heeft.

De oerknaltheorie maakt al een tijdje deel uit van onze culturele bagage. We leven in een universum dat 13,77 miljard haar geleden ontstond. Volgens de grondlegger ervan, de Leuvense hoogleraar Georges Lemaître, gebeurde dat op ‘een dag zonder gisteren’, want ruimte en tijd zouden samen met het heelal ontstaan zijn. Vrijwel onmiddellijk na die oerknal werd ons pasgeboren heelal heel kortstondig enorm opgeblazen, waarna het verder is blijven uitzetten en afkoelen. Dat uitzetten betekent dat er voortdurend, ook nu nog, nieuwe ruimte bijgemaakt wordt.

In dat verband worstelen kosmologen al een tijdje met twee problemen. Het eerste gaat over de vraag waarom het heelal na zowat 9 miljard jaar plots steeds sneller is beginnen uitdijen, terwijl je net het omgekeerde zou verwachten. Dit proces is nu al 5 miljard jaar aan de gang. Donkere energie zou hiervoor verantwoordelijk zijn.

Krenten in een rijzend brood

Het tweede probleem gaat over de vraag hoe snel het heelal op een bepaald ogenblik, bijvoorbeeld nu, uitdijt. Op het eerste gezicht valt dit reuze mee, want de Amerikaanse sterrenkundige Edwin Hubble vond een eenvoudig empirisch verband tussen de afstand tot een sterrenstelsel en de snelheid waarmee het van ons wegvliegt. De bijhorende wet van Hubble-Lemaître stelt: hoe verder het sterrenstelsel van ons verwijderd is, hoe sneller het van ons weg beweegt. Je kan je de sterrenstelsels in een uitdijend heelal voorstellen als krenten in een rijzend brood. Als je voor enkele krenten de snelheid en afstand ten opzichte van ‘onze’ krent meet, rolt de snelheid waarmee het brood rijst eruit.

Uiteraard laat de afstand tussen twee krenten zich net iets makkelijker meten dan de afstand tot een ver sterrenstelsel. Maar vernuftige astronomen hebben door de jaren heen voldoende middeltjes bedacht om tot vrij nauwkeurige afstandsbepalingen tussen sterrenstelsels te komen. Als je het allemaal goed en wel doorrekent, bekom je een waarde van 73,3 km/s per Megaparsec. In mensentaal uitgedrukt: een sterrenstelsel dat zich op 1 Megaparsec – dat is 3,26 miljoen lichtjaar of in kilometer uitgedrukt een 3 met 19 nulletjes – van ons bevindt, beweegt met een snelheid van 73,3 km per seconde van ons weg. Een sterrenstelsel dat twee keer zo ver weg staat, vliegt met 146,6 km/s van ons weg.

Wat is dan het probleem? Dat wetenschappers “een streverstrekje” hebben. In plaats van zich tevreden te stellen met dit resultaat, moesten ze zo nodig een tweede, onafhankelijke manier ontwikkelen om deze snelheid van uitdijen te bepalen. Dat deden ze aan de hand van de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van de oerknal.

Resultaat: 67,4 km/s per Megaparsec. Dat is een verschil van ongeveer 10%, ver boven wat je zou kunnen verklaren als een onnauwkeurigheid op de metingen. Zeker omdat steeds nieuwere en accuratere metingen de kloof bestendigen in plaats van dichten. Deze ‘Hubblespanning’ zorgt voor de nodige dramatiek in het wereldje van de kosmologen: ‘de kosmologie verkeert in crisis’. Is er iets grondig mis met ons model van de kosmos?

Bel van lage massadichtheid

Niet als het aan Lucas Lombriser ligt. Deze professor theoretische fysica van de Universiteit van Genève komt in het vaktijdschrift Physics Letters B langs theoretische weg met een verklaring op de proppen voor deze vreemde discrepantie. Wat als ons sterrenstelsel, de Melkweg, ingebed is in een bel van lage massadichtheid? Dan zouden we er systematisch naast zitten in het bepalen van de afstand tot andere sterrenstelsels. Hij berekende dat je overeenstemming vindt met de waarde van de tweede methode (via de kosmische achtergrondstraling), 67,4 km/s per Megaparsec, als je veronderstelt dat we met onze Melkweg deel uitmaken van een gebied van het heelal, 250 miljoen lichtjaar in doorsnee, waarin de massadichtheid de helft bedraagt van de karakteristieke waarde voor het heelal.

Rest natuurlijk de vraag hoe groot de kans is om een dergelijke zone van halve massadichtheid aan te treffen in het heelal. De berekeningen van Lombriser leggen die kans tussen 5% en 20%. Een bemoedigend resultaat, vindt hij: “Dit betekent dat het niet zomaar een fantasietje van een theoreticus is. Het heelal is zo immens dat er heel wat van dergelijke gebieden moeten voorkomen.” Als Lombriser gelijk heeft, hoeven onze kosmologische modellen nog niet meteen op de schop.

Jacht op donkere materie levert gouden tip op

Een deeltje met de ietwat aparte naam d*(2380), kortweg d-ster, zorgt voor opwinding onder wetenschappers. Nadert de zoektocht naar de aard van donkere materie zijn ontknoping?

Een hexaquark is samengesteld uit zes quarks.

Vraag een natuurkundige naar de belangrijkste onopgeloste problemen in de fysica en de vraag ‘wat is donkere materie?’ zit er sowieso bij. We weten al decennialang dat er van de materie zoals wij die kennen, opgebouwd uit protonen en neutronen, veel te weinig is om de waargenomen baanbeweging van sterren en sterrenstelsels te verklaren. Recenter bevestigden metingen van de kosmische achtergrondstraling en het effect van gravitatielenzen deze conclusie. Het heelal moet een flinke dosis van een extra ingrediënt bevatten, goed voor maar liefst 80 tot 85 procent van alle massa in het heelal. Het is net als ‘normale’ materie onderhevig aan de gravitatiekracht, maar gaat geen wisselwerking aan met licht, waardoor het voor ons onzichtbaar (‘donker’) blijft.

De zoektocht naar die mysterieuze kosmische smaakmaker houdt wetenschappers dan ook danig in de ban. Doorheen de jaren hebben ze tevergeefs een hele stoet kandidaten voorgesteld, van exotische deeltjes tot zwarte gaten. Precisie-instrumenten diep onder de grond proberen sporen van zeldzame interacties tussen donkere en normale materie op te vangen. En het zet sommige theoretische natuurkundigen, zoals de Nederlander Erik Verlinde, zelfs aan om de fundamenten van de fysica te herdenken: misschien bestaat donkere materie wel helemaal niet, maar denken we dat op basis van een onzuiver beschrijvingsmodel van de werkelijkheid.

Een nieuw spoor

Maar een echte doorbraak laat op zich wachten. Tot dusver althans, want Dr. MIkhail Bashkanov and Professor Daniel Watts, beiden verbonden aan het fysicadepartement van de University of York, hopen daar nu verandering in te brengen. Ze raakten geïntrigeerd door het in 2014 ontdekte deeltje d*(2380), kortweg d-ster. Waar protonen en neutronen uit drie quarks bestaan, is dit ongewoon deeltje een hexaquark: samengesteld uit zes quarks. Omdat het uit een even aantal quarks bestaat, is het een boson, een klasse van deeltjes met eigenschappen die behoorlijk verschillen van fermionen, waartoe het elektron, neutron en proton behoren.

Waar we nu onze deeltjesversnellers tot het uiterste moeten drijven om deze hexaquark aan te treffen, voeren Bashkanov en Watts in een publicatie in de Journal of Physics G Letters aan dat d-ster in de beginfase van het heelal in ruime mate geproduceerd werd. Toen het heelal begon af te koelen en uit te dijen, waren de omstandigheden volgens beide onderzoekers gunstig om deze bosonen te laten samenklonteren tot een zogenaamd Bose-Einstein condensaat, ook wel de vijfde aggregatietoestand genoemd (na vast, vloeibaar, gas en plasma).

In die toestand verliezen de afzonderlijke deeltjes hun identiteit en gedraagt het hele systeem zich alsof het één groot deeltje met een reeks merkwaardige eigenschappen was. “Onze eerste berekeningen geven aan dat dat een condensaat van d-sterdeeltjes een bruikbare kandidaat is voor donkere materie”, aldus Watts.

Als de onderzoekers gelijk hebben, betekent dit meteen ook dat het bestaande theoretisch kader van de fysica overeind blijft. Dit geldt als bijkomende troef. Want hoewel het voor de buitenwereld best spannend klinkt om de fysica 100 jaar na Einstein en de kwantumfysica opnieuw op z’n kop te zetten, levert het huidig theoretisch kader zo veel en zo verbluffend nauwkeurige overeenkomsten op met de empirische werkelijkheid dat veel natuurkundigen ze niet graag op de schop zien gaan.

Volgende stap

Hoe bemoedigend de eerste resultaten ook zijn, Bashkanov en Watts beseffen dat er nog een hele weg te gaan is. Bashkanov: “In de volgende stap moeten we een beter begrip krijgen van de interactie tussen d-ster hexaquarks – wanneer ze elkaar afstoten en wanneer aantrekken”. Hun onderzoek illustreert ook mooi het samenspel tussen experiment en theorie in de wetenschap. Na de experimentele ontdekking van het deeltje, volgde het theoretisch werk van Bashkanov en Watts. Maar nu is het woord opnieuw aan het experiment. Bashkanov opnieuw: “We werken aan nieuwe metingen om d-ster hexaquarks te maken binnen in een atoomkern, om na te gaan of hun eigenschappen dan anders zijn dan in vrije toestand”.

Daarnaast stellen ze ook onderzoeksstrategieën voor om de signatuur van het d*(2380)-condensaat in het heelal op te sporen. Vooral telescopen die naar X- en gammastralen kijken, moeten toelaten om het voorkomen van dit condensaat empirisch te toetsen.

Kans op water op exoplaneet K2-18b neemt toe

Op 11 september 2019 haalde exoplaneet K2-18b het nieuws: onderzoekers hadden aanwijzingen gevonden dat er zich waterdamp bevindt in de atmosfeer ervan. Op 27 februari 2020 vatten onderzoekers van de University of Cambridge de resultaten van verder onderzoek als volgt samen: “Er bestaat een realistische kans dat K2-18b bewoonbaar is”.

Met een nieuw ontdekte exoplaneet haal je al een tijdje het nieuws niet meer. Daar zijn de meer dan 4000 bevestigde exemplaren verantwoordelijk voor. Toen het eenmaal duidelijk werd dat het heelal krioelt van de exoplaneten, verschoof de aandacht al snel naar degene die zich in het goudlokjegebied van hun ster bevinden, waar de temperatuur niet te hoog en niet te laag is om vloeibaar water toe te laten. Want uiteindelijk wil je toch vooral weten of er leven is in het heelal. En bij gebrek aan concreet alternatief lijkt de aanwezigheid van vloeibaar water de beste indicator om leven aan te treffen.

Maar daar wringt het schoentje: het is niet omdat de temperatuur in het goudlokjegebied vloeibaar water toelaat, dat er ook effectief water aanwezig is. Maar in combinatie met de aanwijzing dat er zich waterdamp in de atmosfeer van K2-18b bevindt, klonk het meteen al een stuk spannender.

Kritiek

Al wekte de poeha rond K2-18b ook de nodige irritatie op. Laura Kreidberg, als sterrenkundige verbonden aan de Harvard University, vroeg zich in een blog op de webstek van Scientific American af of de concurrentie tussen twee onderzoeksgroepen niet voor een opbod aan straffe claims zorgde, waarbij de wetenschappelijke nuance ondergesneeuwd raakte. In het bijzonder luidde de verwachting van Kreidberg dat K2-18b, qua grootte en dichtheid eerder een Neptunusachtige dan een aardeachtige exoplaneet, een zo zware en uitgebreide atmosfeer moest hebben dat de druk en temperatuur eronder geen vloeibaar water toelaten.

Nieuwe studie

Nikku Madhusudhan en zijn collega’s van de University of Cambridge vroegen zich af wat ze met de huidige waarnemingsgegevens aan de weet kunnen komen over de structuur van K2-18b. Zoals gebruikelijk voor een planeet met een dichtheid tussen die van de aarde en Neptunus, ging het onderzoeksteam in het algemeen uit van een planeetstructuur met vier lagen: een kern met eerst een laag van ijzer en daarrond een rotsachtige laag, vervolgens een laag met water en tot slot een gasvormige atmosfeer met voornamelijk waterstof en helium.

Door de atmosferische eigenschappen van K2-18b te combineren met de massa en straal van dit hemellichaam, krijg je dan beperkingen op deze structuur. Nu staat het onderzoek naar de samenstelling van de atmosfeer van een exoplaneet weliswaar nog in de kinderschoenen. Maar het onderzoeksteam van Madhusudhan kon er toch informatie over vergaren door gegevens van de ruimtetelescopen Kepler, Spitzer en Hubble Space Telescope bijeen te harken.

Resultaten

Een belangrijke bevinding van Madhusudhan luidt dat je in tegenstelling tot Kreidbergs verwachting geen substantiële enveloppe van waterstof en helium nodig hebt om de dichtheid van K2-18b te verklaren. De massa van deze enveloppe zou ergens fluctueren tussen verwaarloosbaar weinig tot 6% van de totale massa van de exoplaneet.

Verder blijken verschillende scenario’s compatibel met de eigenschappen van K2-18b. Interessant daarbij is dat K2-18b in één van die toegelaten scenario’s een waterplaneet is, met een temperatuur van rond de 300 K (ca. 27°C), met een druk tussen 1 en 10 bar.

De onderzoekers vonden tevens opmerkelijk minder CH4 en NH3 in de atmosfeer dan verwacht. Dit wijst op chemisch onevenwicht. Biochemische processen kunnen tot een dergelijk onevenwicht leiden, al zijn er zeker ook andere, minder spectaculaire oorzaken.

Wat betekent dit?

De ontdekking is in twee opzichten relevant. In de eerste plaats bevestigt ze dat K2-18b een topkandidaat is om nauwkeuriger te bestuderen met de volgende generatie ruimtetelescopen die veel gedetailleerdere informatie zullen opleveren over de samenstelling van de atmosfeer van exoplaneten. Behoudens nieuw uitstel zou de James Webb Space Telescope in 2021 gelanceerd moeten worden.

Maar belangrijker nog is dat we onze zoektocht naar waterplaneten niet hoeven te beperken tot aardeachtige exemplaren. Dat vergroot niet alleen de groep van mogelijk levensvatbare exoplaneten, het maakt de zoektocht er ook makkelijker op, aangezien grotere exoplaneten beter te bestuderen vallen.