De temperatuursverschillen in de kosmische microgolf-achtergrondstraling, gemeten door Planck. Credit: ESA/Planck Collaboration
Toen in 2018 de definitieve gegevens van de Europese Planck missie werden gepubliceerd, de ruimteverkenner die de kosmische microgolf-achtergrondstraling had bestudeerd (Engels: CMB), waren de meeste sterrenkundigen ervan overtuigd dat de ruimte in het heelal vlak is (Engels: flat). Dat betekende dat de ruimte ‘Euclidisch’ is, dat als je ergens in het heelal een willekeurig vlak zou nemen en je zou er een driehoek tekenen dat de drie hoeken dan samen 180 graden zouden zijn. Zend twee laserstralen in zo’n heelal evenwijdig aan elkaar een bepaalde richting uit en je weet dat in zo’n vlak heelal de stralen elkaar nooit zullen raken, iets wat in een gekromd, ‘niet-Euclidisch’ heelal wel het geval zou zijn.
Enkele weken geleden kwam een drietal sterrenkundigen – Alessandro Melchiorri (Sapienza University), Eleonora di Valentino (University of Manchester) en Joseph Silk (University of Oxford) met een artikel (gepubliceerd in Nature) waarin ze met een zekerheid van 99% stellen dat ze op basis van dezelfde Planck gegevens van mening zijn dat de ruimte in het heelal wel degelijk gekromd is, dat het een ‘gesloten heelal’ is en dat het heelal een bol is (zie kader hieronder voor nadere informatie over de termen).
De kromming van de ruimte heeft effect op de temperatuursverschillen in de CMB. Credit: Planck-collaboration.
Als kosmologen over het heelal spreken als ‘open’ of ‘gesloten’, verwijzen zij meestal naar de vraag of de kromming negatief of positief is. Er worden drie varianten onderscheiden:
Vlak heelal
In een vlak heelal is de lokale kromming en de lokale meetkunde vlak. Er wordt algemeen aangenomen dat het wordt beschreven door een Euclidische ruimte, hoewel er een aantal ruimtelijke meetkunden zijn die vlak en begrensd in een of meer richtingen zijn (zoals bijvoorbeeld het oppervlak van een cilinder).Bij afwezigheid van donkere energie dijt een vlak heelal altijd maar uit, maar wel in een voortdurend vertragend tempo, waar de uitbreiding asymptotisch tot een bepaalde vaste waarde nadert. Met donkere energie zal de uitbreidingsvoet van het universum aanvankelijk vertragen, dit als gevolg van de invloed van de zwaartekracht, maar zal deze uiteindelijk toenemen. Het uiteindelijke lot van het heelal is hetzelfde als dat van een open heelal.Sterrenkundigen hanteren de dichtheidsparameter, Omega, die gerelateerd is aan de kromming van de ruimte. Omega is de gemiddelde dichtheid van het heelal gedeeld door de kritische energiedichtheid, dat wil zeggen die nodig is om te verzekeren dat het heelal vlak is. Zie ook de afbeelding hieronder.
De drie vormen van gekromde ruimte. Credit: WMAP/NASA.
Bolvormig of sferisch heelal – gesloten
Een positief gekromd heelal wordt beschreven door de bolmeetkunde en kan beschouwd worden als een driedimensionale hypersfeer of een andere sferische 3-variëteit (zoals de Poincaré-dodecaëderruimte), die alle quotiënten van de 3-sfeer zijn.
In een gesloten universum dat de afstotende werking van donkere energie ontbeert zal de zwaartekracht uiteindelijk de uitdijing van het heelal stoppen, waarna het heelal zal starten in te krimpen totdat alle materie in het waarneembare heelal instort tot een punt, een finale singulariteit, die naar analogie met de Big Bang wel de Big Crunch wordt genoemd. Als het heelal een grote hoeveelheid donkere energie bezit (zoals door recente bevindingen wordt gesuggereerd), dan kan de uitdijing van het heelal eeuwig doorgaan.
Het lot van het heelal bij de drie vormen van kromming. Credit: Schoolphysics.
Hyperbolisch heelal – open
Een hyperbolische heelal wordt beschreven door een hyperbolische meetkunde en kan lokaal worden gezien als een driedimensionaal analogon van een oneindig uitgebreide zadelvorm. Er bestaat een verscheidenheid aan hyperbolische 3-variëteiten en hun classificatie is niet helemaal duidelijk. Voor een hyperbolische lokale meetkunde worden veel van de mogelijke driedimensionale ruimten informeel hoorntopologieën genoemd, vanwege de vorm van de pseudosfeer, een canoniek model van de hyperbolische meetkunde.
Bron: Wikipedia.
De fotonen van de CMB die door Planck zijn bestudeerd dateren van 380.000 jaar na de oerknal, het moment 13,8 miljard jaar geleden dat ruimte en tijd ontstonden. Vanaf het moment dat de fotonen hun vrije weg startten (het moment dat het ‘laatste oppervlak van de verstrooiing‘ wordt genoemd) tot aan het moment dat ze de Planck ruimtetelescoop binnendrongen passeerden ze talloze clusters van sterrenstelsels, wiens massa zorgde voor een effect dat ‘zwaartekrachtslens’ wordt genoemd. Planck heeft die hoeveelheid ‘lensing’ gemeten en daarmee de dichtheid van massa in het heelal gemeten, een hoeveelheid die 9,47×10-27 kg/m³ bleek te zijn, zeg 5,7 waterstofatomen per kubieke meter. Er is ook een zogeheten ‘kritische dichtheid’ van het heelal – de grens aangevend tussen een open en een gesloten heelal – en laat die nou ook precies 5,7 waterstofatomen per m³ te zijn. Dát was de grondslag onder de aanname dat het heelal vlak is.
De Planck satelliet, die naar de CMB kijkt. Credit: Credit: ESA and the Planck Collaboration – D. Ducros
Melchiorri, di Valentino en Silk zijn ook in de CMB-gegevens van Planck gedoken en anders dan het Planck-team komen zij met een andere waarde voor de opgetreden hoeveelheid lensing. Uit hun analyse blijkt er een hogere dichtheid te zijn en een grotere hoeveelheid lensing. De dichtheid van het heelal is volgens het drietal 6 waterstofatomen per m³ en de dichtheid ligt 5% bóven de kritische dichtheid. Volgens hen is er daarmee sprake van een bolvormige heelal, eentje die gesloten is en uiteindelijk dus weer zal krimpen. Het Planck-team had overigens de afwijking in de gemeten lensing ook al geconstateerd, een afwijking die een statistische betrouwbaarheid van 3,4 sigma heeft, maar het Planck-team was van mening dat deze afwijking ruis is. Melchiorri, di Valentino en Silk beschouwen de afwijking duidelijk niet als ruis, maar als een echt signaal. Zij zijn ook van mening dat er naast de zes parameters die het heersende Lambda-CDM heelalmodel beschrijven er nog een zevende parameter moet komen: eentje die de kromming van de ruimte bechrijft.
Andere sterrenkundigen zijn sceptisch over het artikel van Melchiorri, di Valentino en Silk. Zij wijzen er bijvoorbeeld op dat de set gegevens door Planck verzameld zo gigantisch groot is dat er altijd wel afwijkingen in de orde van 3,4 sigma voorkomen, die helemaal niet echt hoeven te zijn. Ook is Planck niet de enige die roept dat het heelal vlak is. Zo blijkt ook uit de waarnemingen van de BOSS survey (waarbij men kijkt naar baryon acoustic oscillations) dat het heelal vlak is. Ook maakt een gesloten heelal een ander probleem nóg erger: het probleem van de Hubble-spanning. Kortom, wordt zeker vervolgd. Bron: Quanta Magazine + In the Dark
