Hoe snel rijst het deeg van de ruimtetijd?

Willen astronomen verder meten, dan maken ze dankbaar gebruik van een bepaald soort sterren die ruim honderd jaar geleden werden ontdekt: Cepheïden. De astronoom Henrietta Leavitt ontdekte in 1908 dat Cepheïden niet alleen in een zeer voorspelbaar ritme helderder worden, maar dat de helderheid van zo’n ster ook afhangt van het ritme. Niet alle sterren schijnen namelijk even helder, sommige zijn veel minder sterk dan de zon. Anderen schijnen miljoenen keren feller.

Het ritme van de Cepheïden gaf astronomen opeens een handig gereedschap: houd zijn ster over een langere periode in de gaten en je weet wat zijn periode is (die ruwweg ligt tussen de een en vijftig dagen). Daaruit volgt via de relatie die Leavitt ontdekte de helderheid van die ster. Vergelijk dat vervolgens met de schijnbare helderheid die de ster aan de hemel heeft en je weet de afstand. Een object dat twee keer zo ver weg is heeft nog maar een kwart van de lichtsterkte. Deze methode zit in het hart van de kosmische afstandsladder en werkt tot ongeveer twintig miljoen lichtjaar afstand. Binnen die afstand zijn de meest directe buursterrenstelsels van de Melkweg te vinden.

Rood in de verte

Toch is het universum veel groter. Het licht van sterrenstelsels aan de rand van het waarneembare universum heeft een afstand afgelegd van zeker tien miljard lichtjaar. De basis voor de methode die tot zo diep het universum in reikt werd onder andere gelegd door de man die ontdekte dát het universum een stuk groter was dan we dachten: de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble. In de jaren 20 concludeerde hij dat vlekjes die we aan de hemel konden zien geen nevels waren, maar extreem verre en complete melkwegstelsels met stuk voor stuk weer miljarden sterren.

De astronoom Vesto Slipher had toen al ontdekt dat de kleur van die sterrenstelsels een klein beetje richting het rood leek te zijn ‘opgeschoven’. Hubble ontdekte dat dit effect sterker was naarmate het sterrenstelsel verder weg was. Zijn conclusie was dat dit te maken had met de snelheid waarmee sterrenstelsels ten opzichte van ons door het universum bewegen. Bij een sterke beweging van ons af verkleurt het rood, vergelijkbaar met het geluidseffect van een ambulance dat naar beneden ‘afbuigt’ wanneer deze voorbijrijdt. Om de afstanden tot de 46 sterrenstelsels in zijn onderzoek te bepalen gebruikte Hubble overigens de bovengenoemde Cepheïden-methode.

De ontdekte afstandsrelatie met de roodverschuiving stelde astronomen in staat om afstanden te schatten tot bijna de rand van het zichtbare universum. Licht dat er meer dan tien miljard jaar over gedaan heeft om hier te komen.

Kosmische knallen

De roodverschuiving levert een mooie methode voor extreem verre afstanden, de laatste trede op de afstandsladder. Maar kunnen we erop vertrouwen? Wat als de roodverschuiving om een of andere reden op grote afstand níet doet wat astronomen verwachten? Dan ben je de afstanden in het universum systematisch verkeerd aan het berekenen. Daarom waren wetenschappers blij dat er in de jaren 90 een volledig nieuwe en onafhankelijke meetlat voor het verre heelal bij kwam.

Het is een van de meest gewelddadige gebeurtenissen die we kennen. Als een zware ster in de loop van miljoenen of miljarden jaren door zijn brandstof heen is stort hij in en ontploft in een kosmische knal die zijn weerga niet kent: een supernova. Een paar maanden lang kan deze feller schijnen dan de miljarden sterren in een sterrenstelsel bij elkaar.

Riess en collega’s gebruikten de Hubble-telescoop om de periode en helderheid van zeventig Cepheïden in het sterrenstelsel met een grotere precisie dan voorheen te bepalen. Dat deden ze op momenten dat Hubble bezig was om van richting te veranderen tussen verschillende opnames. Heel slim vindt Henny Lamers, emeritus hoogleraar astronomie van de Universiteit van Amsterdam. “Tijd is kostbaar bij het gebruik van deze telescopen en zo maakt Riess gebruik van de momenten dat de telescoop eigenlijk niet gebruikt wordt.”

De afstand tot de Grote Magelhaense Wolk blijkt zo’n 162.700 lichtjaar, een waarde die volgende de astronomen op basis van de door hun gebruikte methodes nog 1,2 procent kan afwijken. Dat komt overeen met onafhankelijk onderzoek die een relatief nieuwe methode gebruikt op basis van sterren die om elkaar heen draaien, zogenoemde detached eclipse binaries, duo’s van sterren die ver genoeg om elkaar heen draaien dat ze afzonderlijk gezien kunnen worden met de Hubble-telescoop.

Verschil tussen meetlatten

Wijzen alle meetlatten nu hetzelfde aan? Nee, nog steeds zitten astronomen – waaronder Riess – in hun maag met het feit dat het universum langzamer lijkt uit te dijen op basis van metingen aan de kosmische achtergrondstraling. Het verschil zou zo’n negen procent bedragen.

“Dat is een probleem”, zegt Lamers. “De uitdijing bepalen op basis van die achtergrondstraling is een vrij indirecte manier. Je kijkt naar helderheidsvariaties in die achtergrondstraling en bepaalt hoe groot die structuren aan de hemel zijn. Kennelijk klopt dat niet met de recente Hubble-waarnemingen.”

Riess doet in zijn artikel alvast de suggestie dat ons model van de oerknal en de snelle inflatie-periode daarna wellicht op de schop moet. Lamers heeft ook het vermoeden dat de discrepantie daar zou kunnen liggen. “Méér donkere energie zou dit probleem kunnen oplossen.” De kosmische meetlatten kloppen dan, maar de astronomen kunnen meteen aan de slag met het volgende probleem: wat is die donkere energie precies?