Resultaten van 1e drie jaar Dark Energy Survey zijn verschenen

Eén van de tien zogeheten ‘deep field’ waarin met DES het heelal driedimensionaal in kaart werd gebracht. Credit: Dark Energy Survey/DOE/FNAL/DECam/CTIO/NOIRLab/NSF/AURA

In maar liefst 29 wetenschappelijke artikelen – hier voor de hardcore liefhebbers te lezen – zijn deze week de resultaten gepubliceerd van de eerste drie jaar van waarnemingen gedaan met de Dark Energy Survey (DES) [1]Verwar DES niet met DESI, dat onlangs is gestart en dat óók de donkere energie in kaart aan het brengen is, maar dan nóg grootschaliger.. Daarbij zijn in de periode tot 2016 gedurende 345 nachten maar liefst 229 miljoen (!) sterrenstelsels waargenomen tot een afstand van zeven miljard lichtjaar van de aarde. Een gebied van 5000 vierkante graad, bij elkaar 1/8e van de hemel, werd met behulp van de 570-megapixel Dark Energy Camera verbonden aan de Víctor M. Blanco 4-meter Telescoop van het Cerro Tololo Inter-American Observatorium in Chili in kaart gebracht. Op dwe afbeelding hieronder zie je in paar het in kaart gebrachte gebied, de lichte boog is de Melkweg.

Credit: N.Jeffrey/DES.

Uit de waarnemingen komt naar voren dat de materie in het heelal mogelijk een paar procent minder ‘clumpy’ is dan eerst gedacht, dat is de mate waarin materie aan elkaar klontert, weergegeven in de zogeheten σ-8 parameter. De waarde die DES3 vindt voor σ-8 is iets lager dan wat de Europese Planck satelliet eerder vond, de satelliet die de kosmische microgolf-achtergrondstraling van 380.000 jaar na de oerknal analyseerde. De waarden die DES3 vindt (σ-8=0,776 en de dichtheid van materie Ωm = 0,339) zijn wel in overeenstemming met het heersende ΛCDM model van het heelal.

Bron: Noirlab.

References[+]

References
1 Verwar DES niet met DESI, dat onlangs is gestart en dat óók de donkere energie in kaart aan het brengen is, maar dan nóg grootschaliger.

De leeftijd van het heelal is 13,77 miljard jaar

Temperatuursvariaties in de CMB. Dit stuk van de hemel is 25° groot (50 keer de diameter van de maan), in werkelijkheid een gebied van 20 miljard lichtjaar breed. Credit: ACT Collaboration

Een team van sterrenkundigen heeft gebruikmakend van de Atacama Cosmology Telescope (ACT) in de Atacama woestijn in Chili de leeftijd van het heelal vast kunnen stellen op 13,77 miljard jaar, met een onzekerheid van 40 miljoen jaar. Deze waarde komt goed overeen met de schatting die eerder gegeven was met de Planck satelliet, die tussen 2009 en 2013 de kosmische microgolf-actergrondstraling (Engels: CMB) bestudeerde, de straling die resteert van 380.000 jaar na de oerknal. De sterrenkundigen, die onder leiding staan van Steve Choi (Cornell Center for Astrophysics and Planetary Science) keken met ACT vanuit Chili ook naar de CMB, net zoals Planck dat eerder deed. Door naar het zogeheten powerspectrum van de minieme temperatuursvariaties in de CMB te kijken konden ze de leeftijd van het heelal bepalen. Daarbij kijkt men naar de hoekdiameter van de ‘blobjes’ in de CMB, die een fractie onder of boven de gemiddelde temperatuur van de CMB zitten, die 2,72548±0,00057 K bedraagt. Met ACT was het team van Choi ook in staat om de Hubble constante te meten. Die blijkt H0=67,6 kilometer per seconde per megaparsec te zijn, d.w.z. dat een sterrenstelsel dat 1 Mpc (=3,26 miljoen lichtjaar) van ons vandaan staat door de expansie van het heelal met 67,6 km/s van ons vandaan vliegt, op 2 Mpc afstand met 2 x 67,7 km/s, etc… Die waarde van H0 komt goed overeen met de waarde die Planck vond van 67,4 km/s/Mpc, maar hij staat mijlenver van de waarde van 74 km/s/Mpc, die sterrenkundigen hebben gevonden met behulp van indicatoren in het huidige heelal, de parallax, Cepheïden en type Ia supernovae – de welbekende Hubble spanning. Het lijkt er toch echt steeds meer op dat er iets ontbreekt aan het huidige kosmologische model van het heelal.

The Atacama Cosmology Telescope: a measurement of the Cosmic Microwave Background power spectra at 98 and 150 GHz,” Choi et al, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics. Arxiv-versie.

Bron: Cornell.

Gas in grootschalige structuren in het heelal afgelopen acht miljard jaar drie keer zo heet geworden

Boven: de temperatuursontwikkeling in het heelal de afgelopen 11 miljard jaar, onder: de ontwikkeling van de grootschalige structuren in dezelfde periode. Credit: D. Nelson / Illustris Collaboration.

Sterrenkundigen hebben ontdekt dat het hete gas dat zich bevindt in de grootschalige structuren van het heelal – dat is het kosmische web van de (super-)clusters van sterrenstelsels – afgelopen acht miljard jaar maar liefst drie keer heter is geworden. De temperatuur van elektronen in dat gas was 8 miljard jaar geleden (roodverschuiving z=1) 700.000 K, nu (z=0) is dan maar liefst 2 miljoen K. Yi-Kuan Chiang (Ohio State University) en z’n team hebben dit ontdekt door te kijken naar de gegevens die verzameld zijn met de Planck satelliet en de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), de eerste keek naar de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB), de tweede naar licht en spectra van sterrenstelsels. Door die gegevens te combineren kregen ze een indruk van de thermische druk rondom sterrenstelsels. Daarmee waren ze in staat om het zogeheten “Sunyaev-Zeldovich” (SZ) effect te meten, een effect dat voorspeld in 1972 werd door twee Russische sterrenkundigen,  Rashid Sunyaev en Yakov Zel’dovich.

Het SZ-effect. Credit: Argelander Institut für Astronomie.

Dat tweetal betoogde dat fotonen die van de CMB afkomstig zijn – welke zo’n 380.000 jaar na de oerknal ontstond op het moment dat het heelal door z’n expansie zo ver was afgekoeld dat de fotonen vrij konden bewegen – onderweg richting de aarde beïnvloed worden door de massa van de clusters van sterrenstelsels die ze passeren. Door de zogenaamde ‘omgekeerde Compton verstrooiing‘ zorgen de electronen in die clusters er voor dat de energie van de fotonen een tikkeltje verandert. De intensiteit van het SZ-effect is gekoppeld aan de thermische druk van het gas en die is weer gekoppeld aan de temperatuur van de elektronen. En zo kon men de temperatuur van de elektronen in de ‘Large Scale Structures’ (LSS) van afgelopen 8 miljard jaar meten – hieronder de grafiek met de resultaten.

Credit: Chiang, Makiya, Ménard and Komatsu, Astrophysical Journal, 902, 56 (2020).

Hier het vakartikel over het onderzoek aan de temperatuur van het hete gas, verschenen in the Astrophysical Journal. Bron: Kavli Instituut/IPMU.

Jawel daar zijn ze, de definitieve Planck-resultaten

Credit: ESA/Planck Collaboration

Met de Europese Planck satelliet werd tussen 2009 en 2013 in negen verschillende banden van frekwentie tussen 30 en 857 GHz de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB) nauwkeurig gemeten, het restant van de hete straling, die zich 380.000 jaar na de oerknal (al weer zo’n 13,8 miljard jaar geleden) loskoppelde van de atoomkernen en die toen vrij ging bewegen door het heelal. Ik heb vaker resultaten laten zien van die meting, maar onlangs werden in het vaktijdschrift Astronomy & Astrophysics de definitieve wetenschappelijke artikelen gepubliceerd met alle behaalde resultaten van het onderzoek van Planck aan de CMB. Hieronder een overzicht van al die artikelen, vrij te downloaden in verschillende formats. Even in een notendop twee van de belangrijkste kosmologische parameters op een rijtje, gemeten door Planck: De Hubble constante in het huidige heelal H0=67,4 ±0,5 km/s/Mpc en σ8=0,811 ± 0,006, beiden brandpunt van een flinke discussie. Het heet ‘resultaten 2018′. Dat we ze nu pas zien anno 2020 komt omdat het veel tijd koste de artikelen door de peer review te krijgen. Maar ’t is allemaal gelukt en daarom nu deze speciale publicatie van A&A. Veel leesplezier met de artikelen!

Bron: A&A.

Nieuwe TRGB-meting duidt op lage waarde van de Hubble constante

Hoe snel dijdt het heelal uit? Credit: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI).

Op basis van waarnemingen aan de heliumflits van rode reuzen – een methode die bekend staat als de TRGB methode (van ‘Tip of the Red Giant Branch’, zie de afbeelding hierboven, de heliumflits [1]Rode reuzen hebben allemaal in hun korte leven een moment dat de heliumflits wordt genoemd, een explosief moment waarbij de temperatuur in de ster kan oplopen tot wel 100 miljoen K, gevolgd door een … Continue reading in het bekende HR-diagram) – kwam een jaar geleden een team van sterrenkundigen onder leiding van Wendy Freeman (Universiteit van Chigago) tot een bepaling van de waarde van de Hubble constante H0, de constante die de snelheid van uitdijing van het huidige heelal weergeeft. Freeman c.s. kwamen toen uit op H0=69,8 km/s/Mpc, een waarde die precies inligt tussen de waarden van H0 die waarnemingen aan het vroege heelal  (H0=67,4 km/s/Mpc) en het huidige heelal (H0=73,9 km/s/Mpc) hebben opgeleverd – een verschil dat bekend staat als de Hubble-spanning.

Herzsprung-Russeldiagram met daarin aangegeven het moment van de TRGB. Credit: Prof. Richard Pogge/ Ohio State University.

Probleem met de TRGB methode is dat je kijkt naar rode reuzensterren – het voorland van onze zon over pakweg vijf miljard jaar – en dat je niet precies weet hoeveel stof er zit tussen de ster en de aarde, een onzekerheid opleverend in de meting van de schijnbare helderheid. De TRGB methode is geschikt om als afstandskandelaar te gebruiken en de afstand tot de rode reus te bepalen, net zoals Cepheïde veranderlijken en type Ia supernovae dat ook zijn. Maar bij alle drie is dat stof een probleem.

Credit: Universiteit van Chicago.

In 2019 had Freeman’s team gekeken naar rode reuzen in de Grote Magelhaense Wolk (GMW), een begeleidend dwergstelsel van onze Melkweg. Dat stelsel zit echter vol stof en ook al heeft men de hoeveelheid stof aardig in beeld, dan nog levert het een onzekerheid op. Daarom keken de sterrenkundigen de laatste tijd naar rode reuzen in twee stelsels die grotendeels stofvrij zijn, IC 1613 en de Kleine Magelhaense Wolk. De verwachting was dat deze verbeterde waarnemingen zouden leiden tot een hogere waarde van H0, maar het tegendeel blijkt het geval te zijn. In het laatste vakartikel over de TRGB methode, geaccepteerd voor publicatie in The Astrophysical Journal, komen Freeman en haar team tot een lagere waarde: H0=69,6 km/s/Mpc! En die zit toch eerder tegen de lage waarde van het vroege heelal aan, die gebaseerd is op waarnemingen aan de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB) van Planck en de Baryonische Accoustische Oscillaties (BAO’s) van SDSS en DES, dan van het huidige heelal – zie de grafiek hierboven met alle bekende waarden.

De kosmische afstandsladder, gebruikt voor waarnemingen van het huidige heelal om H0 te bepalen. Credit: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

Dat betekent dat de methode met de kosmische afstandsladder, de methode van het huidige heelal met parallax, Cepheïden en type Ia supernovae (zie de grafiek hierboven), nu een probleem heeft. Wellicht dat die methode ook meer moet kijken naar de invloed van tussenliggend stof op de metingen van helderheden, maar het zou ook te maken kunnen hebben met Cepheïden, de veranderlijke sterren die één van de peilers van de methode zijn. Die sterren blijken namelijk niet zo constant te zijn als lang gedacht, maar toch langzaam met de tijd te veranderen en daarmee ook minder betrouwbaar te zijn als afstandskandelaar. Afijn, de Hubble-spanning duurt voort. Bron: Quanta Magazine.

References[+]

References
1 Rode reuzen hebben allemaal in hun korte leven een moment dat de heliumflits wordt genoemd, een explosief moment waarbij de temperatuur in de ster kan oplopen tot wel 100 miljoen K, gevolgd door een abrupte afname van de lichtkracht. Die heliumflits levert bij alle reuzensterren eenzelfde absolute lichtkracht op en daarom kan die gebruikt worden als ‘standaardkaars’ om de afstand mee te bepalen, net zoals Cepheïden en type Ia supernovae ook als standaardkaarsen worden gebruikt.

Is het heelal toch vlak?

Wat is de vorm van het heelal? Credit: Wikipedia/ Public Domain.

Met de publicatie van een artikel van Eleonora Di Valentino, Alessandro Melchiorri en Joseph Silk november vorig jaar ontstond een flinke discussie over de vorm van het heelal: is die vlak, open of gesloten – ergo, is de kromming van de ruimte van het heelal nul, positief of negatief (zie afbeelding hierboven)? Jarenlang was de gangbare gedacht dat het heelal vlak was, dat wil zeggen dat er geen kromming was, dat  de ruimte ‘Euclidisch’ is: 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. De metingen met de Planck satelliet aan de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB) leek dat beeld van een vlak heelal te bevestigen. Maar de analyse van de Planckgegevens door Di Valentino, Melchiorri en Silk lieten volgens de auteurs zien dat de ruimte in het heelal wel degelijk gekromd is, dat het een ‘gesloten heelal’ is en dat het heelal een bol is. Recent is een nieuw artikel verschenen van het tweetal George Efstathiou en Steven Gratton en die hebben niet alleen naar de gegevens van Planck gekeken, maar ook naar metingen gedaan aan zogeheten ‘baryon acoustic oscillations’ (BAO’s), variaties in de dichtheden van de materie in het vroege heelal, veroorzaakt door accoustische golven die toen door het plasma heen denderden. Door ver verwijderde sterrenstelsels te meten, zoals al jaren gebeurt met de Sloan Digital Sky Survey (SDSS), kan men die BAO’s meten en dat geeft een indicatie van de ‘standaardlengte’ van die variaties in het vroege heelal. Resultaat van die nieuwe analyse van CMB én BAO’s: het heelal is vlak, de kromming is nul – in de grafiek hieronder rechts te zien.

Credit: George Efstathiou en Steven Gratton

Deze analyse is een flinke steun in de rug voor de inflatietheorie, de theorie die zegt dat er kort na de oerknal, waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal onstond, een zeer kortstondige periode is geweest waarin het heelal exponentiëel groeide. Bron: In the Dark.

De versnelde expansie van het heelal opnieuw gemeten, onafhankelijk van CMB en supernovae

Opnieuw is de versnelde uijtdijing van het heelal gemeten. Credit: NASA, ESA, and M. Montes (University of New South Wales, Sydney, Australia)

De versnelde expansie van het heelal werd in eerste instantie door twee onafhankelijke teams ontdekt in 1998 aan de hand van ver verwijderde type Ia supernovae en later door metingen aan de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB) door o.a. de Planck-satelliet. Recent is er een nieuwe meting van die versnelde expansie gedaan, die geheel onafhankelijk is van de metingen met de supernovae en CMB. Een team van sterrenkundigen onder leiding van Seshadri Nadathur (University of Portsmouth, VK) heeft gekeken naar zogeheten void-galaxy cross-correlations (zie de box hieronder).

Het kosmische web van leegten en filamenten

Credit: AKVO.

Het heelal bestaat op grote schaal uit filamenten van sterrenstelsels en daartussen grote leegtes of holtes, met diameters van 11 Mpc tot 150 Mpc (zie de afbeelding hierboven). Die leegtes zijn vermoedelijk gevormd door zogeheten baryonische accoustische oscillaties (BAO’s), die ten tijde van het vroege heelal voorkwamen, fluctuaties in de dichtheid van de materie, die zich als accoustische geluidsgolven voortplanten. Tussen de leegten en de temperatuursfluctuaties in de CMB – fluctuaties die ook weer een afspiegeling zijn van de verschillende dichtheden van de materie in het vroege heelal – zijn ook weer relaties of ‘correlaties’. Dat komt door het Sachs-Wolfe-effect: koudere gebieden in de CMB correleren met leegten en warmere gebieden correleren met filamenten vanwege roodverschuiving door de zwaartekracht (fotonen van de CMB schuiven naar het rode gedeelte van het spectrum als ze de zwaartekracht voelen). Aangezien het Sachs-Wolfe-effect alleen merkbaar is als het heelal wordt gedomineerd door straling of donkere energie, is het bestaan van lege ruimtes belangrijk in het leveren van fysiek bewijs voor donkere energie. De laatste is op haar beurt weer verantwoordelijk voor de versnelling in de expansie van het heelal.

Vandaar dat Nadathur en z’n team naar de data hebben gekeken die verzameld zijn met de Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) final DR12 data release en van de eBOSS DR14 Ly? BAO metingen, allen van het SDSS programma. De uitkomst van de studie is dat ze ook een versnelde uitdijing in het heelal waarnemen:

We find direct evidence of the late-time acceleration due to dark energy at > 10? significance from these data alone, independent of the cosmic microwave background and supernovae.”

Tevens hebben ze de Hubble constante gemeten, H0, de waarde van de Hubble parameter in het huidige heelal (zie ook de reacties daarover in deze recente Astroblog) . Daaruit blijkt dat ze twee waarden krijgen: Als ze kijken naar de gegegevens van de BAO’s en de leegten tot een roodverschuiving van z<2 dan krijgen ze H0=72,3+-1,9 km/s/Mpc – in de discussie van de Hubble-spanning de waarde van het late, huidige heelal, van het ‘kamp-Riess’. Maar als ze dan vervolgens ook kijken naar de gegevens van Lyman-alpha BAO’s (geen sterrenstelsels, maar emissielijnen van waterstof) vanaf roodverschuiving z>2 dan krijgen ze H0=69+-1,2 km/s/Mpc – een lage waarde die hoort bij het vroege heelal, het ‘kamp-Planck’. Kortom, een bevestiging van de versnelde uitdijing van het heelal (en daarmee ook een argument tegen de recente hypothese dat donkere energie wellicht niet bestaat) en een bevestiging dat er twee waarden zijn voor de Hubble constante H0 die ver uit elkaar liggen en die niet op statistische gronden verklaard kan worden. Hier het vakartikel van Nadathur et al. Bron: Diverse tweets, zoals deze:

Is de ruimte in het heelal nou vlak of toch gekromd?

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.

Welke vorm heeft het heelal?
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

Nieuwe waarde Hubble constante verrassend dicht bij de Planckwaarde voor vroege heelal

Hoe snel dijdt het heelal uit? Credit: NASA/JPL-Caltech.

De Hubble-spanning blijft nog wel over voortduren. Opnieuw is een bepaling gedaan aan de hand van waarnemingen van de Hubble constante, de verhouding van de snelheid waarmee een bepaalde afstand groter wordt door de metrische uitdijing van de ruimte in het heelal en de grootte van die afstand. Edwin Hubble ontdekte eind jaren twintig van de vorige eeuw aan de hand van roodverschuivingen van sterrenstelsels dat het heelal uitdijt en de naar hem genoemde constante (H0) is een indicatie voor de snelheid waarmee het heelal uitdijt. Probleem: de waarde voor H0 in het vroege heelal is een andere dan de H0 in het huidige heelal, da’s de Hubble-spanning in een notendop. Onlangs heeft men de waarde van H0 opnieuw proberen vast te stellen, dit keer met behulp van zwaartekrachtgolven.

Een impressie van twee botsende neutronensterren. Credit: NASA/Dana Berry, SkyWorks Digital, Inc.

Men had dat al eens eerder gedaan aan de hand van zwaartekrachtgolf GW170817, die veroorzaakt werd door twee botsende neutronensterren, een rimpeling in de ruimte die op 17 augustus 2017 dwars door de aarde ging en die gepaard ging met elektromagnetische straling, door tientallen telescopen gedetecteerd. Nu heeft men behalve GW170817 ook de andere negen zwaartekrachtgolven bekeken, die allemaal gedetecteerd zijn tijdens waarneemperiodes O1 en O2 van Advanced LIGO en Virgo. Die waren allemaal afkomstig van botsende zwarte gaten. Die geven weliswaar geen elektromagnetische straling als ze botsen, maar aan de hand van catalogussen van sterrenstelsels, gelegen in de plekken aan de hemel waar deze zwaartekrachtgolven vandaan kwamen is men in staat ook die zwaartekrachtgolven mee te nemen in de waardebepaling voor Ho.

Credit: LIGO/Virgo Collaboration / B. Abbott, et. al.

Het resultaat is dat men uitkomt op Ho=68 +14/-7 km/s/Mpc (zie de grafiek hierboven, de paarse vertikale lijn), een waarde die verrassend dicht ligt bij de waarde die men met de Planck sonde vond, die naar de kosmische microgolf-achtergrondstraling uit het allervroegste heelal keek, Ho=67,4 ± 0,5 km/s/Mpc. En het ligt een stuk af van de waarde die op grond van nabije Cepheïden en type Ia supernovae is gedaan, die uitkomt op H0=73,9 ± 1,6 km/s/Mpc. De sterrenkundigen hopen door verdere waarneming van zwaartekrachtsgolven mét EM-straling de waarde nog exacter te kunnen bepalen. Doel daarbij is:

A complementary measurement of H0 from the multi-messenger GW astronomy sector would help clarify whether the current tension is a statistical anomaly or evidence for new physics beyond the ΛCDM model of cosmology.

Is er een statistische of instrumentele fout in de waardebepaling geslopen óf is er sprake van nieuwe natuurkunde? Kortom, de Hubble-spanning is nog steeds voelbaar. Hier het vakartikel over de nieuwe waardebepaling. Bron: Arxiver.

Nee, het heelal als geheel roteert niet

Hubble Deep Field. Credit: NASA.

Alle hemelobjecten draaien om hun as, sterren zoals de zon, planeten zoals de aarde, kometen, planetoïden, noem het maar op. Logische veronderstelling dat het grootste wat er is ook misschien wel roteert, het heelal zelf. Nou is het natuurlijk de vraag hoe je dat zou moeten waarnemen, want het heelal is zo verschrikkelijk groot en hoe zou je zo’n rotatie moeten meten? Dáár heeft men wel een manier voor gevonden en wel in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: Cosmic microwave background, CMB), de straling die zich 380.000 jaar na de oerknal loskoppelde van de materie en die het alleroudste licht in het heelal vormt. Die straling is waargenomen door satellieten zoals COBE, WMAP en Planck en door allerlei instrumenten op aarde, zoals vanuit balonnen die op de Zuidpool worden opgelaten. Als het heelal als geheel zou roteren dan zou dat merkbaar moeten zijn als een zogeheten non-gaussiaanse afwijking in de polarisatie van de CMB, dat is de oriëntatie van de golven van het licht van de CMB – een gauss-verdeling of normale verdeling verwacht je bij een verdeling zonder ‘anomaliën’ of afwijkingen, een eventuele rotatie zou als een anomalie of non-gaussiaanse afwijking te zien moeten zijn.

Zó zou een non-gaussiaanse verdeling van de CMB er uit zien. Alleen is dit niet hetgeen is waargenomen. Credit: Planck.

Eén van de grondbeginselen van de theorie van de oerknal volgens het gangbare ?CDM model is het zogeheten kosmologisch principe, dat zegt dat het heelal op grote schaal er in alle richtingen hetzelfde uitziet (isotroop) en dat het op iedere plaats dezelfde eigenschappen bezit (homogeen). Isotroop betekent dat het heelal er voor een waarnemer in elke richting hetzelfde uitziet en dat het naar alle kanten toe even snel expandeert. De isotropie van het heelal is te zien in de CMB, die in alle richtingen dezelfde temperatuur oplevert met slechts zeer minieme afwijkingen. Welnu, de isotropie en homogeniteit van het heelal is door de Europese Planck satelliet gemeten en wel door zeer nauwkeurige bestudering van die polarisatie in de CMB. Uitkomst van die metingen: de CMB heeft een gauss-verdeling, het is isotroop en homogeen. Er komen wel gaussiaanse ‘fluctuaties’ voor, maar die kunnen geheel verklaard worden uit het ontstaan van het kosmische web van enorme superclusters van sterrenstelsels in het vroege heelal. Anders gezegd: het heelal roteert niet. Hieronder de twee vakartikelen waarin het allemaal beschreven wordt.

  • Planck 2018 results. VII. Isotropy and Statistics of the CMB, arXiv:1906.02552 [astro-ph.CO]
  • Planck 2018 results. IX. Constraints on primordial non-Gaussianity, arXiv:1905.05697 [astro-ph.CO]

Zoals je ziet zijn dit de delen VII en IX van de Planck-saga. De andere gepubliceerde vakartikelen met de wetenschappelijke erfenis van Planck zijn in deze Astroblog te vinden. Bron: Space.com + Francis Naukas