Astronomen gaan er al tientallen jaren van uit dat het heelal in alle richtingen met dezelfde snelheid uitdijt. Een nieuwe studie op basis van gegevens van ESA's XMM-Newton, NASA's Chandra en de door Duitsland geleide ROSAT-röntgenobservatoria suggereren dat dit belangrijke uitgangspunt van de kosmologie verkeerd zou kunnen zijn.

Konstantinos Migkas, een doctoraat onderzoeker in astronomie en astrofysica aan de Universiteit van Bonn, Duitsland, en zijn supervisor Thomas Reiprich wilden oorspronkelijk een nieuwe methode verifiëren waarmee astronomen de zogenaamde isotropiehypothese konden testen. Volgens deze veronderstelling het universum heeft, ondanks enkele lokale verschillen, dezelfde eigenschappen in elke richting op grote schaal.

Algemeen aanvaard als gevolg van de gevestigde fundamentele fysica, de hypothese is ondersteund door waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond (CMB). Een direct overblijfsel van de oerknal, de CMB weerspiegelt de toestand van het heelal zoals het was in de kinderschoenen, slechts 380.000 jaar oud. De uniforme verdeling van de CMB in de lucht suggereert dat het heelal in die vroege dagen snel en met hetzelfde tempo in alle richtingen moet zijn uitdijen.

In het universum van vandaag, echter, dit is misschien niet meer waar.

"Samen met collega's van de Universiteit van Bonn en Harvard University, we keken naar het gedrag van meer dan 800 clusters van sterrenstelsels in het huidige heelal, ", zegt Konstantinos. "Als de isotropiehypothese correct was, de eigenschappen van de clusters zouden uniform zijn aan de hemel. Maar we zagen wel degelijk significante verschillen."

De astronomen gebruikten röntgentemperatuurmetingen van het extreem hete gas dat de clusters doordringt en vergeleken de gegevens met hoe helder de clusters aan de hemel verschijnen. Clusters met dezelfde temperatuur en op een vergelijkbare afstand moeten er even helder uitzien. Maar dat is niet wat de astronomen hebben waargenomen.

"We zagen dat clusters met dezelfde eigenschappen, met vergelijkbare temperaturen, bleek minder helder te zijn dan we zouden verwachten in één richting van de hemel, en helderder dan verwacht in een andere richting, " zegt Thomas. "Het verschil was behoorlijk groot, ongeveer 30 procent. Deze verschillen zijn niet willekeurig, maar hebben een duidelijk patroon, afhankelijk van de richting waarin we in de lucht hebben waargenomen."

Alvorens het algemeen aanvaarde kosmologische model ter discussie te stellen, die de basis vormt voor het schatten van de clusterafstanden, Konstantinos en collega's keken eerst naar andere mogelijke verklaringen. Misschien, er kunnen onopgemerkte gas- of stofwolken zijn die het zicht belemmeren en clusters in een bepaald gebied zwakker doen lijken. De gegevens, echter, ondersteunen dit scenario niet.

In sommige ruimteregio's kan de verspreiding van clusters worden beïnvloed door bulkstromen, grootschalige bewegingen van materie veroorzaakt door de aantrekkingskracht van extreem massieve structuren zoals grote clustergroepen. Deze hypothese, echter, lijkt ook onwaarschijnlijk. Konstantinos voegt eraan toe dat de bevindingen het team verrasten.

"Als het heelal echt anisotroop is, al was het maar in de afgelopen paar miljard jaar, dat zou een enorme paradigmaverschuiving betekenen omdat er rekening moet worden gehouden met de richting van elk object wanneer we hun eigenschappen analyseren, "zegt hij. "Bijvoorbeeld, vandaag, we schatten de afstand van zeer verre objecten in het heelal door een reeks kosmologische parameters en vergelijkingen toe te passen. Wij zijn van mening dat deze parameters overal hetzelfde zijn. Maar als onze conclusies kloppen, zou dat niet het geval zijn en zouden we al onze eerdere conclusies moeten herzien."

"Dit is een enorm fascinerend resultaat, " zegt Norbert Schartel, XMM-Newton projectwetenschapper bij ESA. "Eerdere studies hebben gesuggereerd dat het huidige heelal misschien niet gelijkmatig in alle richtingen uitdijt, maar dit resultaat - de eerste keer dat een dergelijke test is uitgevoerd met clusters van sterrenstelsels in röntgenstralen - heeft een veel grotere betekenis, en onthult ook een groot potentieel voor toekomstig onderzoek."

De wetenschappers speculeren dat dit mogelijk ongelijkmatige effect op de kosmische expansie kan worden veroorzaakt door donkere energie, de mysterieuze component van de kosmos die verantwoordelijk is voor de meerderheid - ongeveer 69% - van zijn totale energie. Er is tegenwoordig heel weinig bekend over donkere energie, behalve dat het de uitdijing van het heelal in de afgelopen paar miljard jaar lijkt te hebben versneld.

ESA's aankomende telescoop Euclid, ontworpen om miljarden sterrenstelsels in beeld te brengen en de uitbreiding van de kosmos nauwkeurig te onderzoeken, zijn versnelling en de aard van donkere energie, kan dit mysterie in de toekomst helpen oplossen.

"De bevindingen zijn echt interessant, maar de steekproef die in de studie is opgenomen, is nog steeds relatief klein om zulke diepgaande conclusies te trekken, " zegt René Laureijs, Euclid-projectwetenschapper bij ESA. "Dit is het beste wat je kunt doen met de beschikbare gegevens, maar als we het algemeen aanvaarde kosmologische model echt zouden heroverwegen, we zouden meer gegevens nodig hebben."

En Euclides zou precies dat kunnen doen. Het ruimtevaartuig, te lanceren in 2022, zou niet alleen bewijs kunnen vinden dat donkere energie het heelal in feite ongelijkmatig in verschillende richtingen uitrekt, het zal de wetenschappers ook in staat stellen meer gegevens te verzamelen over de eigenschappen van een groot aantal clusters van sterrenstelsels, die de huidige bevindingen kunnen ondersteunen of weerleggen.

Verdere gegevens zullen binnenkort ook komen van het X-ray eROSITA-instrument, gebouwd door het Max Planck Instituut voor Buitenaardse Fysica. Het instrument, aan boord van de onlangs gelanceerde Duits-Russische satelliet Spektr-RG, zal de eerste all-sky survey uitvoeren in middelzware röntgenstralen, gericht op de ontdekking van tienduizenden voorheen onbekende clusters van sterrenstelsels en actieve galactische centra.

De resultaten worden gepubliceerd in het tijdschrift Astronomie en astrofysica