Wetenschappers waren van mening dat de voortdurende uitdijing van het universum werd aangedreven door een kracht die donkere energie wordt genoemd, maar zou het idee van een nieuwe "vroege" donkere energie dit idee kunnen helpen verklaren? Nationaal onderzoekslaboratorium voor optisch-infraroodastronomie / Wikimedia Commons (CC BY 4.0)

Al meer dan een eeuw, wetenschappers weten dat het heelal uitdijt sinds de oerknal, de oergebeurtenis waarmee alles 13,8 miljard jaar geleden begon.

Maar tot nu toe, ze hebben een lastig probleem niet kunnen oplossen. Hoe snel breidt het zich uit? Dat komt omdat er een verschil is tussen de geschatte snelheid gebaseerd op de straling die overblijft na de oerknal, bekend als de kosmische microgolfachtergrond, of CMB in wetenschappelijk jargon, en het aanzienlijk snellere tempo op basis van waarnemingen van supernova's. De snelheid van de uitdijing van het universum staat bekend als de Hubble-constante, dus de ongelijkheid wordt de "Hubble-spanning" genoemd.

Wetenschappers waren van mening dat de voortdurende uitdijing van het universum werd aangedreven door een kracht die donkere energie wordt genoemd, die 7 of 8 miljard jaar na de oerknal lijkt te zijn begonnen met het omkeren van de vertraging van het heelal.

Wat is donkere energie?

"Donkere energie is tegenwoordig een hypothetische energiebron in het universum die, volgens ons beste begrip van het universum omvat ongeveer 70 procent van de totale energie in het universum, " legt Glenn Starkman uit, een vooraanstaande universiteitsprofessor en co-voorzitter van de afdeling natuurkunde aan de Case Western Reserve University.

"Het belangrijkste bewijs voor het bestaan ​​ervan is de versnellende uitdijing van het universum die de afgelopen miljarden jaren lijkt te hebben plaatsgevonden, ", zegt Starkman. "Om zo'n uitdijing aan te drijven, is een energiebron nodig die niet meer verdund (of heel weinig verdunt) naarmate het universum uitdijt. Dit diskwalificeert de meeste energiebronnen — bijv. gewone zaak, of donkere materie, die beide minder dicht worden naarmate het universum groter wordt. Het eenvoudigste model van donkere energie is dat het de onveranderlijke energiedichtheid is die wordt geassocieerd met lege ruimte. Als zodanig, als de ruimte groter wordt, de dichtheid van donkere energie zou constant blijven."

Maar, er zijn genoeg dingen die onverklaard zijn over donkere energie, inclusief waarom het niet altijd al bestond. En zelfs de opname van donkere energie in het standaardmodel lost het verschil tussen de twee metingen van kosmische expansie niet op.

En vroege donkere energie?

Maar twee nieuwe, nog te publiceren onderzoeken, beide gebaseerd op gegevens verzameld tussen 2013 en 2016 door de Atacama Cosmology Telescope (ACT), kan helpen bij het aanwijzen van een mogelijke oplossing voor een probleem. Onderzoekers geloven dat ze sporen hebben gevonden van een soort "vroege" donkere energie die bestond in de eerste 300, 000 jaar na de oerknal. Dit recente artikel in Nature door Davide Castelvecchi publiceerde voor het eerst de twee artikelen, één door het ACT-team en de andere door een onafhankelijke groep waaronder Vivian Poulin, een astrofysicus aan de Universiteit van Montpellier in Frankrijk, en collega's Tristian L. Smith en Alexa Bartlett van Swarthmore College.

Het idee van vroege donkere energie werd aanvankelijk een paar jaar geleden voorgesteld door Poulin, vervolgens een postdoctoraal onderzoeker aan de Johns Hopkins University, Smit en collega's, als een manier om de vraag op te lossen.

"Vroege donkere energie is een voorstel voor een andere vorm van donkere energie, d.w.z., niet duidelijk gerelateerd aan de donkere energie die de versnelde expansie van vandaag veroorzaakt, " legt Starkman uit. EDE "zou lang geleden een belangrijke rol hebben gespeeld in het universum, toen het heelal ongeveer 10 was, 000 keer kleiner en heter dan het nu is." Het is een concept, hij zegt, dat "is bedacht om bepaalde mysterieuze meningsverschillen over de geschiedenis van de expansiesnelheid van het universum op te lossen."

Zoals het Nature-artikel uitlegt, vroege donkere energie zou niet sterk genoeg zijn geweest om miljarden jaren later de versnelde uitdijing van het universum te veroorzaken. In plaats daarvan, het zou het indirect hebben beïnvloed, door de mix van elementaire deeltjes te veroorzaken, of plasma, gevormd kort na de oerknal, sneller af te koelen. Dat, beurtelings, zou van invloed zijn op hoe de kosmische microgolfachtergrond moet worden gemeten - met name metingen van de leeftijd en de uitdijingssnelheid van het universum op basis van hoe ver geluidsgolven in het plasma zouden kunnen reizen voordat het in gas afkoelde - en resulteren in een snellere uitzettingssnelheid die dichterbij is naar wat astronomen berekenen op basis van hemellichamen.

Vroege donkere energie is een lastige theoretische oplossing, maar "het is het enige model waarmee we aan de slag kunnen, " zoals Johns Hopkins University theoretisch natuurkundige Mark Kamionkowski, een van de auteurs van de vroege dark energy paper van 2018, uitgelegd aan de natuur.

De conclusie is niet duidelijk

De twee onderzoeken kunnen helpen om de argumenten voor vroege donkere energie te versterken, maar een van de betrokken onderzoekers zegt nog steeds niet helemaal overtuigd te zijn en waarschuwt dat er meer werk nodig is om tot een duidelijke conclusie te komen.

"Ik stond sceptisch tegenover vroege donkere energiemodellen vanwege problemen waarmee ze worden geconfronteerd bij het matchen van zeer nauwkeurige metingen van de grootschalige distributie van sterrenstelsels en materie in het universum ('grootschalige structuur', of LSS), "Columbia University assistent-professor natuurkunde J. Colin Hill, co-auteur van de studie van het ACT-team, notities in een e-mail. (Hill's vraagtekens bij het concept worden weerspiegeld in dit artikel waar hij in 2020 co-auteur van was, en ook in een later artikel, en hij noemt ook een ander artikel van andere onderzoekers dat soortgelijke complicaties oproept.)

"De conclusie van de drie artikelen die hierboven zijn gelinkt, is dat de vroege donkere energiemodellen die passen bij de CMB-gegevens en de Riess, et al., H0-gegevens leveren voorspellingen op voor LSS die niet overeenkomen met de gegevens uit deze onderzoeken, ' schrijft Hill in de e-mail. 'Dus, concludeerden we dat er waarschijnlijk een ander theoretisch model nodig is, of op zijn minst enige wijziging van het vroege donkere energiescenario."

In de nieuwe studie die Hill en ACT-collega's zojuist hebben gepost, ze hielden geen rekening met LSS-gegevens in de analyse, en concentreerde zich in plaats daarvan bijna uitsluitend op CMB-gegevens. "Het doel was echt om te zien of Planck- en ACT CMB-gegevens consistente resultaten gaven in de vroege donkere energiecontext. We ontdekten dat ze enigszins verschillende resultaten gaven, dat is een grote puzzel die we nu hard aan het werk zijn om te proberen te begrijpen. Van mijn perspectief, het LSS-probleem voor het vroege donkere energiescenario blijft onopgelost."

"In aanvulling, de Planck-gegevens op zichzelf (die de meest nauwkeurige gegevensverzameling in de kosmologie blijven) tonen geen voorkeur voor vroege donkere energie, Hill legt uit. "Dus, ondanks de hints die we hebben gezien in de ACT-gegevens voor vroege donkere energie, Ik blijf voorzichtig of dit model echt het laatste verhaal zou kunnen zijn. We hebben meer gegevens nodig om erachter te komen."

Als het bestond, vroege donkere energie zou vergelijkbaar zijn geweest met de kracht waarvan wordt aangenomen dat hij de huidige uitdijingssnelheid van het universum aanstuurt. Maar het zou nog steeds een aanzienlijke heroverweging van het theoretische model vereisen.

"Het belangrijkste verschil is dat deze vroege donkere energie slechts voor een korte periode in de kosmische geschiedenis een rol moet spelen, en dan moet 'verdwijnen', " zegt Hill. "Om dit te bereiken, we construeren deeltjesfysica-modellen van een nieuw veld (technisch, een axion-achtig veld) dat de uitdijing van het heelal kort versnelt voorafgaand aan recombinatie, maar vervaagt dan snel en wordt irrelevant."

"In tegenstelling tot, het huidige leidende beeld voor standaard donkere energie is dat het gewoon een kosmologische constante is, waarschijnlijk afkomstig van vacuümenergie, Hill gaat verder. "Deze vorm van energie verandert niet met de tijd. Het is mogelijk, echter, dat standaard donkere energie te wijten zou kunnen zijn aan een nieuw fundamenteel veld dat we nog niet hebben begrepen. In dit geval, het kan heel goed in de tijd evolueren, en het zou dus enige gelijkenis kunnen vertonen met het vroege donkere energiemodel dat hierboven is besproken."

"Opnieuw, we hebben meer gegevens nodig om deze vragen nauwkeuriger te onderzoeken, en hopelijk antwoorden vinden in het komende decennium, ' zegt Hill. 'Gelukkig, veel krachtige experimenten komen binnenkort online." Hij noemt faciliteiten zoals het Simons Observatorium, die CMB zal bestuderen, evenals het Rubin Observatorium en de Euclidische en Romeinse ruimtetelescopen, die nieuwe informatie over LSS zal verzamelen. "Het zou heel spannend moeten zijn om te zien wat we vinden, " hij zegt.

Hier is een YouTube-video waarin Hill vroege donkere energie bespreekt:

Starkman zegt dat het belangrijk is voorzichtig te zijn met zulke "buitengewone" beweringen, tenzij het bewijs duidelijk en overtuigend is. Zoals hij aangeeft, er is ook bewijs tegen EDE. "De huidige resultaten laten toenemende spanningen zien tussen twee experimentele datasets van de observatie van de kosmische microgolfachtergrond - van de Planck-satelliet van de European Space Agency die in het begin van het afgelopen decennium vloog, en van de huidige Atacama Cosmology Telescope. De eerste lijkt het idee van vroege donkere energie niet te ondersteunen, terwijl de laatste dat nu doet. Dergelijke spanningen tussen experimenten komen vaak voor en zijn frustrerend. Het is verleidelijk om te zeggen dat meer gegevens van ACT de zaak zullen oplossen, maar het simpelweg overweldigen van de voltooide Planck-gegevens met meer ACT-gegevens zal niet verklaren waarom de Planck-gegevens niet gunstig zijn voor EDE. De spanning lijkt waarschijnlijk een herzien begrip van een van deze experimenten te vereisen om op de een of andere manier een duidelijk geval te bieden."

Wendy Freeman, een professor in astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Chicago die heeft gewerkt aan het meten van kosmische expansie, vindt het belangrijk om verschillende alternatieve modellen na te streven.

Het Lambda Cold Dark Matter-model (LCDM)

"We hebben momenteel een standaardmodel van kosmologie, het zogenaamde lambda koude donkere materie (LCDM) model, "Vrijman, de auteur van dit artikel, gepubliceerd op 17 september 2021, op de Hubble Constant in The Astrophysical Journal, legt het uit in een e-mail. "In dat model is ongeveer 1/3 van de totale materie + energiedichtheid te wijten aan materie (waarvan het meeste donkere materie is) en 2/3 aan een component van donkere energie."

"Echter, op dit moment, we kennen de aard van donkere materie of donkere energie niet, " Freedman gaat verder. "Toch biedt LCDM een extreem goede pasvorm voor een zeer breed scala aan verschillende experimenten en observaties. Gezien onze stand van kennis, het is duidelijk van belang om het standaardmodel verder te testen. De huidige schijnbare discrepantie tussen de waarde van de Hubble-constante afgeleid van CMB-metingen en sommige lokale metingen zou kunnen wijzen op nieuwe fysica. Daarom zeg ik dat het belangrijk is om ook andere modellen dan lambda CDM te onderzoeken."

Maar Freedman voegt een belangrijk voorbehoud toe:"Als alternatief, er kan een nog onbekende systematische fout zijn die verantwoordelijk is voor de schijnbare discrepantie. Het is daarom ook belangrijk om de onzekerheden in de huidige Hubble constante metingen te verminderen."

Dat is nu interessant

Als vroege donkere energie blijkt te hebben bestaan, door het in te schatten in de schatting van de leeftijd van het universum zou de kosmos 1,4 miljard jaar jonger zijn dan de huidige schatting van 13,8 miljard jaar.