Hoe zal het aflopen met ons universum? Om die vraag te kunnen beantwoorden, moeten astronomen achterhalen of het heelal zal blijven uitdijen. De theorieën daarover lopen uiteen.
Openingsbeeld: Illustratie van de versnellende uitdijing van het heelal © NASA Goddard Space Flight Center
Vanaf de aarde bekeken ziet de nachthemel er redelijk statisch uit. De sterren verschuiven van de ene op de andere avond wel van positie, en de planeten bewegen mee. Maar toch lijkt er allemaal niet echt veel te veranderen.
Maar perceptie is niet altijd betrouwbaar. Wat we met onze ogen niet zien, is hoe achter nabije planeten, sterren en sterrenstelsels alles van ons wegbeweegt. Het heelal is voortdurend aan het uitdijen, en die uitdijing gaat steeds sneller.
‘Dat mag je vrij letterlijk nemen’, zegt fysicus Dan Scolnic (Duke University), die de kosmische groei bestudeert. ‘Wat we met uitdijen bedoelen, is wellicht niet hoe de meeste mensen erover denken. We bedoelen dat de afstand tussen ons en andere objecten, en dan voornamelijk andere sterrenstelsels, aan het toenemen is.’
Op dit punt weten wetenschappers niet of die uitdijing tot in de eeuwigheid zal voortduren, en of ze zal blijven versnellen. Het heelal kan zodanig snel uitdijen dat het uiteenscheurt, het kan rustig aan blijven uitzetten en afkoelen, of het kan uiteindelijk terug op zichzelf plooien. Hoe dan ook zal de finale toestand van het universum bepaald worden door hoe enerzijds donkere materie en donkere energie en anderzijds gewone materie en energie onderling verdeeld zijn.
Het heelal kan zodanig snel uitdijen dat het uiteenscheurt, het kan rustig aan blijven uitzetten en afkoelen, of het kan uiteindelijk terug op zichzelf plooien
Donkere materie en donkere energie, die samen 95 procent uitmaken van het heelal, blijven bij wetenschappers voor hoofdbrekens zorgen. Ze weten niet hoe die donkere delen de verdere koers van het heelal zullen sturen.
Sneller en sneller en sneller
We weten al zo’n honderd jaar lang dat het heelal uitdijt als gevolg van de oerknal – toen alle materie en energie vanuit een enkel, dens en heet punt explodeerde en daarmee de ruimte deed uitzetten. Wetenschappers hadden verwacht dat die uitdijing mettertijd zou vertragen: de zwaartekracht tussen brokken materie zou als een rem werken. En een tijdlang was dat ook zo. Alleen is er sindsdien veel veranderd.
Sinds het begin van ons bestaan lijken wij mensen precies in het kosmische tijdperk te leven waarin die afgeremde uitdijing begon te versnellen. Het heeft een tijd geduurd, maar uiteindelijk hebben astronomen die kentering opgemerkt. ‘In 1998 begonnen we te beseffen dat het heelal niet enkel uitdijt,’ zegt Scolnic, ‘maar dat het ook steeds sneller gaat.’
De verklaring voor versnelling is niet helemaal bevredigend. Ze is veroorzaakt door de aanwezigheid van donkere energie, dat weten we. Maar we weten daarmee niet waarom dat gebeurt. ‘Wat zit er nu echt achter die versnelling? Op een fundamenteel niveau tasten we daarover nog steeds in het duister’, zegt astronoom Wendy Freedman (University of Chicago).
‘In 1998 begonnen we te beseffen dat het heelal niet enkel uitdijt, maar dat het ook steeds sneller gaat’
Donkere energie – wat die ook precies mag zijn – omgeeft het lege deel van het heelal – het vacuüm. Ze oefent een afstotende kracht uit die alles uiteen duwt en als het ware aan de zwaartekracht trekt en sleurt. ‘En hoe meer ruimte er is, hoe meer de dingen van elkaar weg worden geduwd’, zegt Scolnic. ‘Dat betekent dat het universum sneller en sneller zal uitdijen, en dat dingen sneller en sneller van elkaar weg zullen worden geduwd.’
Licht uit
Om te begrijpen hoe komische uitdijing er op dit moment uitziet, nemen wetenschappers astronomische signalen waar om de zogeheten Hubbleconstante te meten. Die parameter is een maat voor de huidige versnelling van de uitdijing.
Wetenschappers hebben verschillende methodes om de Hubbleconstante te bepalen. Een ervan is kijken naar supernova’s en variabele sterren in verre sterrenstelsels en meten hoe ver ze van ons af staan, en hoe snel ze zich van ons aan het verwijderen zijn. In de jaren 90 leidde Freedman het Hubble Space Telescope Key Project, dat de Hubbleconstante met een ongeziene nauwkeurigheid kon berekenen. Maar de voorbije paar jaar hebben astronomen vastgesteld dat die berekening niet overeenkomt met de berekeningen die andere wetenschappers hebben gemaakt op basis van de vroege jaren van het heelal – lang voordat supernova’s en variabele sterren geboren waren.
Die mismatch noemen wetenschappers de Hubblespanning, en ze duidt mogelijk op een fout in de manier waarop onderzoekers hun gegevens hebben verzameld of geïnterpreteerd. Of misschien is het het universum dat wetenschappers wil duidelijk maken dat ze geen jota begrijpen van zijn evolutie. En dat ze dus al zeker niet kunnen voorspellen hoe het ermee zal aflopen. ‘Als de mismatch niet opgelost geraakt, zitten we met een probleem’, zegt Freedman. ‘Het zou betekenen dat er een fysica bestaat waar we niets van af weten.’
Een tijdlang hadden wetenschappers een sluitend verhaal over de uitdijing van het heelal, en over hoe donkere en lichte materie en donkere en lichte energie daarin meespelen. Maar nu begint dat verhaal aan de randen uiteen te rafelen. Om te weten hoe het echt eindigt, zullen wetenschappers de hoofdstukken in het midden van het verhaal moeten herzien.
‘Als de mismatch niet opgelost geraakt, zitten we met een probleem. Het zou betekenen dat er een fysica bestaat waar we niets van af weten’
Als het grote plaatje dat wetenschappers hebben van hoe het heelal werkt klopt, kijken we aan tegen een doodvriezend universum. De kosmos zal aan een matige versnelling blijven uitdijen, materie zal dunner worden uitgesmeerd, levende sterren zullen afsterven en ongeboren sterren zullen zich niet meer kunnen vormen. Het licht gaat uit en alles wordt koud.
Maar als donkere energie anders werkt dan we tot nu toe veronderstellen, komt er een alternatief einde in zicht. Misschien wordt donkere energie sterker naarmate het heelal uitdijt. In dat geval stevenen we af op een serieuze scheur: het universum dijt zodanig snel uit dat het uiteenrijt. ‘Hoe dan ook zal het heelal eeuwig blijven uitdijen’, zegt Scolnic. ‘De vraag is welk geweld daaraan ten grondslag ligt.’
Niet iedereen is het met die conclusie eens. Volgens theoretisch fysicus Paul Steinhardt (Princeton University) kan donkere energie zich anders gedragen naarmate het heelal evolueert. ‘Eerst kan het de uitdijing versnellen, om het vervolgens af te remmen, tot een halt te roepen en uiteindelijk aan te zetten tot krimpen.’ Een vermorzeld heelal, dus. In enkele van de modellen die Steinhardt onderzoekt kan het gekrompen heelal uiteindelijk weer gaan uitzetten en komt een soort cyclisch universum tot stand.
Lang verhaal kort: niemand kan met zekerheid zeggen hoe het afloopt. ‘We hebben het idee laten varen dat we dat kunnen voorspellen’, zegt Freedman. Er is een sprankeltje hoop: James Webb zou weleens antwoorden kunnen geven. De ruimtetelescoop kan verder en scherper zien dan zijn voorgangers. ‘Zo gaat het dikwijls in de wetenschap’, zegt Freedman. ‘We weten niet wat er aan de hand is, en soms duurt het heel lang voordat we daar achter komen.’
