Na bijna twee decennia werk heeft de Atacama Cosmology Telescope (ACT) schokkende conclusies gepresenteerd uit zijn uiteindelijke gegevens – een van de belangrijkste getallen in de moderne kosmologie komt niet overeen met de werkelijkheid zoals het zou moeten. En het probleem is niet klein of technisch. Het dwingt ons om de vraag te heroverwegen of ons huidige model van het universum überhaupt correct is.
Bijna 20 jaar observaties – en een verontrustende conclusie
Van oktober 2007 tot medio 2022 heeft de ACT, die in de Atacama-woestijn in Chili is geïnstalleerd, de microgolf- en millimetergolfradiatie van het universum bestudeerd. Gedurende deze tijd heeft hij ongebruikelijke sterrenstelsels, subtiele structuren en een overvloed aan gegevens over de vroegste fasen van het heelal vastgelegd. Echter, het belangrijkste doel van de telescoop is altijd hetzelfde geweest – de kosmische microgolfachtergrond (KMA).
KMA is het oudste licht dat we kunnen waarnemen – het echo van de Big Bang, dat ongeveer 13,8 miljard jaar geleden ontstond, toen het universum pas zo’n 380.000 jaar oud was. Deze straling wordt beschouwd als een hoeksteen van ons kosmologisch begrip, daarom hebben eventuele inconsistenties erin zeer ernstige gevolgen.
De Hubble-constante – een getal dat niet meer klopt
Het hele probleem draait om de zogenaamde Hubble-constante – de waarde die beschrijft hoe snel het universum momenteel uitbreidt. Dit is een van de fundamentele parameters van de kosmologie en theoretisch zou het hetzelfde moeten zijn, ongeacht hoe we het meten.
De realiteit is echter anders. Er zijn twee belangrijke meetmethoden. De eerste is het observeren van relatief nabije sterrenstelsels, het meten van hun afstanden en snelheden. De tweede is het afleiden van de Hubble-constante uit de kosmische microgolfachtergrond, dat wil zeggen uit de toestand van het vroege universum.
Deze twee methoden leveren verschillende waarden op, die zelfs niet overeenkomen als we rekening houden met meetfouten. Dit discrepantie wordt al jaren aangeduid als de Hubble-tension en is een van de grootste raadsels in de moderne kosmologie.
ACT bevestigde de vrees dat velen niet wilden bevestigen
Tot nu toe was de belangrijkste standaard voor het vroege universum gebaseerd op gegevens van de Planck-satelliet. Nu bevestigen de uiteindelijke resultaten van ACT niet alleen de bevindingen van Planck, maar versterken zij deze ook.
De ACT-gegevens toonden aan dat de Hubble-constante, berekend uit de KMA, overeenkomt met de resultaten van Planck, niet alleen wat betreft temperatuurvariaties, maar ook wat betreft de polarisatie van het licht. Dit is bijzonder belangrijk omdat polarisatie aanvullende, onafhankelijke informatie over het vroege universum biedt.
Waarom dit een ernstig probleem is
Idealiter zouden alle betrouwbare methoden een zeer vergelijkbare snelheid van de uitbreidende universum moeten opleveren. Als dat niet het geval is, zijn er slechts twee mogelijke conclusies: of we maken ergens een systematische fout, of ons theoretische model van het universum is incompleet.
In de afgelopen jaren hebben astronomen geprobeerd dit probleem te verhelpen door zogenaamde uitgebreide kosmologische modellen voor te stellen – theoretische alternatieven voor de standaardbeschrijving van het universum. In deze modellen worden extra deeltjes, nieuwe interacties of ongebruikelijke eigenschappen van donkere energie geïntroduceerd.
Echter, de ACT-gegevens hebben hier opnieuw een klap toegebracht. De analyse toonde aan dat ongeveer 30 van de meest voorgestelde uitgebreide modellen eenvoudigweg niet overeenkomen met de waarnemingen. Met andere woorden, de meeste “reddingsopties” zijn in één keer verworpen.
Polarisatie – de sleutel tot het vroege universum
Een van de grootste voordelen van ACT was de uitermate gedetailleerde polarisatiekaarten van de kosmische microgolfachtergrond. Polarisatie is een eigenschap van licht die aangeeft in welke richting het elektromagnetische veld trilt. De omstandigheden in het vroege universum hebben een subtiele, maar waarneembare polarisatieafdruk achtergelaten.
De ACT-telescoop, met een spiegeldiameter van zes meter, heeft veel gevoeliger gegevens verzameld dan Planck, wiens spiegel slechts 1,5 meter bedroeg. Een grotere spiegel betekent een hogere lichtverzameling en een betere resolutie, waardoor kosmologische modellen nauwkeuriger kunnen worden getest.
Het zijn deze polarisatiedata die “de deuren hebben gesloten” voor veel theoretische pogingen om de Hubble-tension met eenvoudige aanpassingen uit te leggen.
Wat betekent dit voor ons begrip van het universum
Het is belangrijk op te merken: dit betekent niet dat eerdere gegevens verkeerd waren. Integendeel, de resultaten van ACT en Planck vullen elkaar aan en versterken elkaar. Het probleem ligt niet in de metingen, maar in de manier waarop we deze interpreteren.
Kosmologen bevinden zich nu in een ongemakkelijke, maar tegelijkertijd zeer fascinerende situatie. Als de Hubble-tension geen fout is, dan kan dit betekenen dat:
- ons begrip van donkere energie onjuist is,
- er processen in het vroege universum hebben plaatsgevonden die we nog niet in onze modellen hebben opgenomen,
- of er nieuwe fysica bestaat die we nog niet hebben ontdekt.
Einde van een fase – begin van een andere
De missie van de ACT-telescoop is afgelopen, maar zijn nalatenschap begint pas. De uiteindelijke gegevens hebben de vragen niet gesloten, maar eerder aangescherpt. Ze tonen aan dat ons kosmologisch beeld, hoe indrukwekkend nauwkeurig het ook is op veel gebieden, fundamentele hiaten kan bevatten.
Als de wetenschap ons iets leert, is het dit: wanneer het universum hardnekkig niet overeenkomt met onze berekeningen, zijn het vaak niet de berekeningen die fout zijn, maar wij. En het zijn precies zulke momenten – wanneer duidelijk wordt dat “er iets heel verkeerd is” – die in de geschiedenis vaak hebben geleid tot de grootste doorbraken in de wetenschap.
