Versnelt de uitdijning van het heelal?

Antwoord

De eerste stap in het verhaal is de vaststelling vanaf het einde van de 19de eeuw dat alle - met uitzondering van enkele nabije stelsels - sterrenstelsels zich van ons verwijderen.  Dat leek op zich merkwaardig, en ook in tegenspraak met het zogenaamde copernicaanse beginsel dat stelt dat onze positie in het heelal niet bijzonder is: als ze zich allemaal juist van ons verwijderen, dan lijkt het wel dat onze positie speciaal is in het heelal.

De tweede stap was de zogenaamde wet van Hubble, die systematiek in die verwijderingssnelheden vond: ze nemen toe met de afstand tot de sterrenstelsels, en wel lineair: twee maal zover is twee maal zo snel.  Eventjes doordenken, en we zien dat er toch niets speciaals is aan onze positie, want van op andere plaatsen in het heelal ziet men dezelfde verwijdering: een waarnemer in een ander stelsel heeft evenveel recht als wij om te zeggen dat hij stilstaat, en dat wij het zijn die van hem wegbewegen.  En stelsels die dichter staan bij hem dan bij ons, ziet hij minder snel bewegen, uiteindelijk ziet hij dezelfde wet van Hubble.

De fysische interpretatie van de wet van Hubble is dan dat het heelal uitdijt.  Niet zozeer in de zin dat het een bel is die steeds groter wordt in een soort absolute oneindige ruimte, maar een uitbreiding van de ruimte zelf.  In die interpretatie staan de stelsels stil ten opzichte van die uitdijende ruimte.  De verwijdering is dan niet zozeer een dopplereffect,  de ambulance die van ons wegrijdt op de straat; neen, zowel wij als de ambulance staan stil, maar de straat wordt langer.  Helemaal stil staan we niet, want binnen die veranderende ruimte bewegen we een beetje, en zo kan het dat stelsels (zoals Andromeda) dicht bij ons toch naar ons toekomen: de 'particuliere snelheid' haalt het hier op de kosmische expansie, die voor kleine afstanden een klein effect is.

De theorie waarin dat allemaal gezien wordt, is die van de gravitatie, want dat is de kracht die op grote schalen speelt.  De beste theorie die wij daarover hebben is de algemene relativiteitstheorie van Einstein.  Friedman, en later Lemaitre, hadden gevonden dat die theorie inderdaad inhield dat een statisch, niet evoluerend, heelal onwaarschijnlijk was binnen die theorie.  Eigenlijk geldt dat ook binnen de newtoniaanse gravitatietheorie: in evenwicht blijven is moeilijk, en eens je begint te vallen, is er geen weg terug; dat ervaart iedereen die onvoorzichtig in bomen klimt. Maar gravitatie trekt aan: als het heelal uitdijt, dan verwacht men dat de aantrekking die uitdijing vertraagt, dus dat de expansie vandaag trager verloopt dan in het verleden. 

Kunnen we dat testen? Ja!  Als we diep in het heelal kijken, dan kijken we ook ver in het verleden.  Stel dat we van een verafgelegen sterrenstelsel zowel de afstand als de verwijderingssnelheid kunnen meten (en dat kunnen we).  Als de expansie vertraagd is, dan staat het dichter bij ons dan de extrapolatie van de wet van Hubble voorspelt: toen het licht werd uitgezonden, was de expansie sneller, en de roodverschuiving dus groter dan we zouden verwachten door de gegevens van vandaag als norm te nemen.  Als we dus de afstand schatten met de Hubblewet zoals die vandaag (na 13.7 miljard jaar expansie) eruitziet, dan overschatten we die afstand.

Het hoeft dan ook niet te verwonderen dat men sinds lang probeert om de kosmische geschiedenis te duiden door na te gaan hoe de wet van Hubble zich gedraagt tot diep in het heelal, en dus diep in het verleden.  Het probleem is een accurate afstandsbepaling te vinden; dat is niet nieuw, de afstandsbepaling is sinds de oudheid een cruciaal aandachtspunt, dat in ongeveer elke vraag van de sterrenkunde een bepalende rol speelt.  En daar komen die supernovae tussen: dat zijn heel heldere objecten (die men dus diep in de kosmos kan vinden), die doorheen de kosmische geschiedenis op een consistente manier (dat is een ietwat opportunistische manier om een brede litteratuur samen te vatten...) hetzelfde zijn geweest; ze blijken erg betrouwbare bakens te zijn om afstanden goed te bepalen tot ver in de kosmos.  De doorbraak is er dan gekomen toen er programma's werden opgesteld om dergelijke supernovae te vinden tot diep in de kosmos.

En toen is gebleken dat de evolutie van de wet van Hubble doorheen de tijd niet klopt met de aanname dat enkel de vertraging door de aantrekkende gravitatie meespeelt.  Voor een gegeven roodverschuiving staan de supernovae te ver.  De expansie vertraagt niet zoals we zouden verwachten, ze versnelt.  En daar komt die kosmologische constante (of donkere energie) tussen: de meest algemene versie van de reeds algemene relativiteitstheorie bevat (wiskundig) ook een term van afstoting, die Einstein er had bijgezet om een statisch heelal te bekomen, die Lemaitre nodig had gevonden om de theorie te doen klopppen met de toenmalige waarnemingen, maar die sindsdien impliciet was afgevoerd toen de hemel van de waarnemingen wat opklaarde en wegens 'te mysterieus', maar die sindsdien weer nodig is gebleken.