Wat is donkere energie?

Donkere energie is de naam die wordt gegeven aan de mysterieuze kracht die ervoor zorgt dat de uitdijingssnelheid van ons heelal in de loop der tijd versnelt in plaats van vertraagt. Dat is in strijd met wat je zou verwachten van een heelal dat begon met een oerknal. Astronomen in de 20e eeuw ontdekten dat het heelal aan het uitdijen is. Zij dachten dat de uitdijing eeuwig zou kunnen doorgaan, of uiteindelijk – als het heelal genoeg massa en dus genoeg zelfzwaartekracht zou hebben – zou kunnen omkeren en een Big Crunch zou veroorzaken. Nu, aan het begin van de 21e eeuw, is dat idee in de kosmologie geëvolueerd. Het heelal wordt geacht nu sneller uit te dijen dan miljarden jaren geleden. Waardoor zou de uitdijingssnelheid kunnen toenemen? Astronomen spreken nu soms van een afstotende kracht als een mogelijke manier om het te begrijpen.

Tot eind jaren negentig dachten de meeste kosmologen dat het heelal niet genoeg massa had om een Big Crunch te veroorzaken. Met name de gegevens van de 2dF Galaxy Redshift Survey en de Sloan Digital Sky Survey leken te bevestigen dat het heelal eeuwig zou blijven uitdijen, zij het in een steeds trager tempo omdat de eigen massa en de eigen zwaartekracht van het heelal probeerden het terug te trekken.

De eerste aanwijzing dat er iets revolutionairs op het punt stond ontdekt te worden, kwam in 1998 tijdens een onderzoek van Type 1A supernovae. Deze enorme explosies van stervende reuzensterren zijn uiterst nuttig voor astronomen omdat ze altijd dezelfde hoeveelheid licht uitstralen, en daarom kunnen worden gebruikt als zogenaamde “standaardkaarsen” om afstanden in de kosmos te berekenen. Dit is een heel eenvoudig idee. Denk aan vuurvliegjes ’s nachts: ze schijnen allemaal met dezelfde intrinsieke helderheid. Door te meten hoe helder ze zijn vanaf waar jij staat, kun je hun afstand berekenen.

Het onderzoek van 1998 werd uitgevoerd door twee internationale groepen astronomen, waaronder de Amerikanen Adam Riess en Saul Perlmutter, en Brian Schmidt in Australië. Met behulp van acht telescopen over de hele wereld wilden zij aan de hand van de afstand van supernovae van type 1A de uitdijingssnelheid van het heelal berekenen, die bekend staat als de Hubble-constante (hoewel de uitdijingssnelheid van het heelal in werkelijkheid met de tijd varieert en dus technisch gezien geen constante is).

De resultaten van het onderzoek waren verbluffend. Verre supernovae die ontploften toen het heelal nog maar 2/3 van zijn huidige leeftijd had, waren veel zwakker dan ze hadden moeten zijn, en stonden dus veel verder weg. De implicatie hiervan was dat het heelal veel sneller was uitgedijd dan het zou moeten hebben gedaan, als de huidige ideeën juist waren.

Met veel scepsis in de astronomische gemeenschap toen deze resultaten werden onthuld, werden de waarnemingen al snel gerepliceerd door andere teams en andere methoden. Rond de millenniumwisseling werd duidelijk dat de uitdijing van het heelal niet, zoals algemeen werd aangenomen, afneemt. Hij versnelt juist.

Even merkwaardiger is dat de uitdijing tot zeven of acht miljard jaar na de oerknal was vertraagd, zoals men zou verwachten. Maar toen begon, om volkomen onbekende redenen, een mysterieuze “anti-zwaartekracht” te overheersen, die de rem van de zwaartekracht op de expansie tenietdeed, waarna de vertraging werd omgekeerd en de expansie begon te versnellen.

U kunt zich voorstellen hoe schokkend deze openbaring was voor astronomen en kosmologen.

De kracht die verantwoordelijk was voor deze versnelling werd door wetenschappers donkere energie genoemd. In dit geval betekent donker onbekend en niet letterlijk donker, zoals het geval is met donkere materie. Opgemerkt moet worden dat donkere energie en donkere materie totaal los staan van elkaar. Lees meer: Wat is donkere materie?

Om het mysterie nog groter te maken, lijken de eigenschappen van deze vreemde donkere energie overeen te komen met Einsteins kosmologische constante, die soms zijn fudge factor wordt genoemd en later door Einstein zelf werd beschreven als de grootste professionele blunder van zijn leven. Einstein verafschuwde het idee van een uitdijend heelal en gaf de voorkeur aan het statische heelal dat werd gepostuleerd door de steady-state kosmologie, die populair was in het begin van de 20e eeuw. Hij bedacht een anti-zwaartekracht, van onbekende oorsprong, om de waargenomen uitdijing van het heelal tegen te gaan, wat zou resulteren in een niet-uitdijend heelal. Einstein trok dit idee, dat niet door waarnemingen werd gestaafd, later echter weer in.

Donkere energie is een van de grote onopgeloste mysteries van de kosmologie. Men denkt nu dat deze 68% uitmaakt van alles in het heelal, terwijl de normale, zogenaamde “baryonische” materie – elk beetje materie dat we kunnen zien – slechts 5% uitmaakt, en de rest bestaat uit donkere materie, een ander groot kosmisch mysterie.

Donkere energie gedraagt zich als Einsteins anti-zwaartekracht, maar de aard en oorsprong ervan blijven onbekend. Een van de grootste mysteries is waarom donkere energie de uitdijingssnelheid van het heelal begon te domineren op een bepaald tijdstip miljarden jaren na de oerknal. Als het nu bestaat, waarom was het er dan niet al die tijd?

De fysica van donkere energie is zeer speculatief. Een idee dat de laatste jaren terrein heeft gewonnen, is dat donkere energie lijkt op een kracht die bekend staat als “quintessence”, die verwant is aan het Higgs-veld. Maar tot nu toe is er geen observationeel bewijs om dit te ondersteunen of te ontkennen.

Cosmologen hebben ook geen idee of donkere energie de uitdijing van het heelal voor altijd zal blijven versnellen, wat zal leiden tot een scenario, ver in de toekomst, waar de versnelling de krachten zal overwinnen die het heelal bij elkaar houden en letterlijk alle materie in de kosmos uit elkaar zal scheuren, in een nachtmerriescenario dat bekend staat als de Big Rip.

Er zijn verschillende huidige en toekomstige ruimtemissies en onderzoeken op de grond die de aard van donkere energie zullen onderzoeken, waaronder NASA’s in een baan om de aarde gebrachte WFIRST-telescoop en de internationale Dark Energy Survey, gevestigd in Chili.

Hopenlijk zullen we spoedig meer inzicht krijgen in deze mysterieuze kracht, die zo’n grote invloed heeft op de toekomst van de kosmos, maar om dat inzicht te krijgen moeten we een veel completere geschiedenis van het heelal schetsen. De archeologie van 13,7 miljard jaar is echter uiterst moeilijk en tijdrovend, met zoveel oude lagen in die geschiedenis die ontbreken of onduidelijk zijn, dus we kunnen geen plotselinge onthullingen verwachten.

Bottom line: Het heelal dijt sneller uit dan oudere theorieën voorspelden. Donkere energie, een van de grote onopgeloste mysteries van de kosmologie, kan de oorzaak zijn van de versnelde uitdijing. Donkere energie wordt nu verondersteld 68% uit te maken van alles in het heelal.