Door de uitzetting van het heelal neemt de afstand tussen twee punten in het heelal steeds verder toe. De wet van Hubble-Lemaître, vernoemd naar de Amerikaanse sterrenkundige Edwin Hubble en ‘onze’ Georges Lemaître, beschrijft een eenvoudig lineair verband tussen de afstand tot een willekeurig sterrenstelsel en de snelheid waarmee het van ons wegvliegt. Je hoeft de afstand enkel te vermenigvuldigen met een getal, de Hubbleconstante, en de snelheid rolt eruit.
Maar volgens de Amerikaanse sterrenkundige Adam Riess, Nobelprijswinnaar Fysica in 2011 voor zijn ontdekking van donkere energie, blijft het vooralsnog onbepaald aan welk tempo de kosmos uitzet.
Twee methodes
De bepaling van de Hubbleconstante oogt nochtans als een schoolvoorbeeld van hoe wetenschap te werk gaat. Kosmologen hebben er twee onafhankelijke meetmethodes voor ontwikkeld. De ene zoekt naar sterrenstelsels waarvan we zowel de afstand als de snelheid kennen. De snelheid kan je doorgaans vrij goed meten, maar de afstandsbepaling is een stuk lastiger. Maar met wat spitsvondigheid kunnen we terugvallen op hemellichamen waarvan we de relatie tussen helderheid en afstand goed kennen. Die fungeren dan als een soort kosmische mijlpaaltjes. De Hubbleconstante volgt dan eenvoudig uit de deling van snelheid door afstand.
De andere methode haalt de mosterd bij de kosmische achtergrondstraling, de nagloed van de oerknal. In combinatie met het standaardmodel dat de evolutie van de kosmos beschrijft, kunnen we daaruit de huidige waarde van de Hubbleconstante, H0, halen. ‘Huidige waarde’, want ondanks de benaming verandert de waarde van de Hubbleconstante doorheen de tijd. Wat ons interesseert is de waarde op dit ogenblik.
Hubblespanning
Alleen leveren beide methodes steevast een verschillende waarde voor H0 op. Volgens de mijlpaaltjesmethode dijt het heelal op dit ogenblik uit met ongeveer 67 kilometer per seconde per megaparsec. Dat betekent dat een sterrenstelsel op ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar (1 megaparsec) van ons elke seconde 67 km verder van ons staat, terwijl een stelsel dat dubbel zo ver van ons staat per seconde 134 km van ons wegbeweegt. Maar als je je baseert op de detailstructuur van de nagloed van de oerknal, bekom je zowat 73 km per seconde per megaparsec.
Kosmologen hebben steeds de hoop gekoesterd dat het verschil tussen beide waarden, de ‘Hubblespanning’, zou verdwijnen naarmate de meetnauwkeurigheid van beide methodes toeneemt.
Onoverbrugbare kloof
Niets daarvan, zegt Adam Riess, als sterrenkundige verbonden aan de Johns Hopkins University in Maryland (VS). Riess en zijn collega’s haalden alles uit de kast om de Hubbleconstante met de mijlpaaltjesmethode zo nauwkeurig mogelijk te krijgen. Ze reduceerden de meetfout tot 2,2 procent en bekomen uiteindelijk een waarde van 73.30 ± 1.04. Samen met zijn team berekende hij dat beide methoden waarden opleveren die van elkaar verschillen ‘op het 5-sigma niveau’.
In mensentaal: er is slechts een kans van 1 op 3,5 miljoen dat de kloof van 9 procent tussen beide bepalingen van de Hubbleconstante terug te voeren valt op onnauwkeurigheid in de metingen.
Wat nu?
Riess: ‘Voor alle duidelijkheid: we kennen de oorzaak van de Hubblespanning niet’. Tegelijk is de bestendiging ervan best wel spannend. Want dit suggereert misschien dat er iets fout loopt met die andere methode. En die haalt H0 uit de nagloed van de oerknal aan de hand van het standaardmodel van de kosmologie.
Riess: ‘Het is zoals de pediater die je vertelt dat je kind 1m83 zal worden. Maar dan blijkt je kind uiteindelijk 1m93 groot te zijn. Dat betekent dat er iets onverwachts gebeurd is: misschien kreeg je kind een groeisprint of kreeg het een hormonale injectie. In ons geval is het de fysica van ons beste kosmologische model dat de groei berekent. Maar net als in het geval van de pediater kan het groeimodel iets over het hoofd gezien hebben.’
Vertelt de Hubblespanning ons dan dat onze beschrijving van de kosmologische evolutie niet helemaal deugt? Dat gaat sommige wetenschappers te ver. Alternatieve verklaringen, zoals systematische fouten in de metingen of lokale verschillen in de massadichtheid blijven immers mogelijk.
Daarmee is het probleem van de Hubblespanning hetzelfde lot beschoren als heel wat andere sterrenkundige en kosmologische vraagstukken: ongeduldig afwachten wat de James Webb Space Telescope (JWST) er ons over te vertellen heeft. Riess heeft alvast onderzoekstijd van de JWST afgedwongen voor verder onderzoek naar de Hubblespanning.
