Vermoeid licht

Ik begon mijn Astroblog gisteren over de verschillende metingen aan de uitdijing van het heelal met de zin “Sinds de waarnemingen van Vesto Slipher en Edwin Hubble in de jaren twintig van de vorige eeuw aan de roodverschuiving van sterrenstelsels weten we dat het heelal uitdijt.” Met recht zou je de vraag kunnen stellen “Oh ja, is dat zo? Is die roodverschuiving van sterrenstelsels een indicatie voor de uitdijing van het heelal?” Dát de meeste sterrenstelsels in het heelal in hun spectrum een roodverschuiving van spectraallijnen laten zien staat buiten kijf, da’s gewoon een feit. Maar komt dat echt doordat het heelal uitdijt en het licht van die stelsels daardoor naar de rode kant van het spectrum opschuift? Of zou het misschien door een andere oorzaak komen? Zou het misschien komen doordat het licht door een bepaalde oorzaak zelf energie verliest, bijvoorbeeld doordat de fotonen onderweg naar aarde energie verliezen door botsingen met intergalactisch gas of dat fotonen spontaan energie verliezen? Die theorie wordt de theorie van het vermoeide licht genoemd (Engels: ’tired light’) en hij is al in 1929 voorgesteld door Fritz Zwicky, de man die enkele jaren later ook als één van de eersten met het bestaan van donkere materie aankwam.

In 2013 werden zes kosmologische modellen onderworpen aan een observationele test, de zogeheten Alcock-Paczynski test, en daaruit kwam naar voren dat maar twee modellen voldeden aan de test: het ΛCDM model – hét gangbare heelalmodel, met een mix van donkere energie (Λ) en koude, donkere materie (CDM), én het vermoeid licht model. Aha, dan zou je toch denken dat het laatste model wel wat meer aandacht mag hebben? Yep, dat zou zo zijn, ware het niet dat door andere waarnemingen ook het vermoeid licht model door de mand valt en het ΛCDM model als enige overblijft. De argumenten op een rijtje waarom het vermoeid licht model niet juist is, ondanks de Alcock-Paczynski test:

• als licht energie verliest door botsingen met gas en stof onderweg naar de aarde moet dat ook leiden tot verandering van impulsmoment van de fotonen, de lichtdeeltjes. Hoe verder weg een sterrenstelsel staat hoe meer verandering van impulsmoment van de fotonen van dat stelsel zal geven en dat zal op foto’s zichtbaar moeten zijn in een vervaging van de sterrenstelsels. Die vervaging (Engels: ‘blurring’) is echter niet waargenomen, sterrenstelsels ver weg zijn net zo scherp als stelsels dichtbij, alleen is hun lichtkracht minder.
• in een heelal met vermoeid licht zou er geen tijddilatatie moeten zijn in de lichtcurve van type Ia supernovae. In zo’n model zou een supernova bijvoorbeeld altijd in 20 dagen een verval in lichtkracht van een bepaald percentage moeten vertonen, ongeacht de afstand. De werkelijkheid is echter dat er tijddilatatie is waargenomen, in overeenstemming met het ΛCDM model. Supernovae met een roodverschuiving z=1 hebben bijvoorbeeld een verval nodig van 40 dagen, terwijl dat voor supernovae dichtbij 20 dagen is.
• het vermoeid lichtmodel geeft een andere voorspelling voor de intensiteit van de kosmische microgolf-achtergrondstraling als waargenomen. Zie bijvoorbeeld de grafiek hieronder, waarin de rode lijn de voorspelling en de geblokte lijn de waarneming.
  

  Credit: UCLA

• Tenslotte overtreedt het vermoeid licht model, waarbij fotonen feitelijk spontaan energie verliezen en daardoor naar het rood verschuiven, een belangrijke natuurwet, namelijk de wet van behoud van energie.

En zodoende kan ik met een gerust hart beweren dat we sinds de waarnemingen van Vesto Slipher en Edwin Hubble in de jaren twintig van de vorige eeuw aan de roodverschuiving van sterrenstelsels weten dat het heelal uitdijt. Maar betekent dat ook dat we het ΛCDM model klakkeloos moeten accepteren en dat andere modellen hebben afgedaan? Nee zeker niet, ook het ΛCDM model is vatbaar voor verbetering en fine-tuning, zeker als we verschillende gemeten waarden tegenkomen van de constante van Hubble, zoals ik gisteren schreef. Alle modellen zullen op de pijnbank moeten worden gelegd van toetsing aan de waarnemingen en als ze daar niet aan kunnen voldoen vallen ze af of moeten ze worden verbeterd.  Bron: UCLA + Koberlein.