Een hernieuwde suggestie dat donkere energie misschien niet echt is - afgezien van 70% van de spullen in het universum - heeft een al lang bestaand debat weer aangewakkerd.

Donkere energie en donkere materie zijn theoretische uitvindingen die waarnemingen verklaren die we anders niet kunnen begrijpen.

Op de schaal van sterrenstelsels, zwaartekracht lijkt sterker te zijn dan we kunnen verklaren met alleen deeltjes die licht kunnen uitstralen. Dus voegen we donkere materiedeeltjes toe als 25% van de massa-energie van het heelal. Dergelijke deeltjes zijn nooit direct gedetecteerd.

Op de grotere schalen waarop het heelal uitdijt, zwaartekracht lijkt zwakker dan verwacht in een universum dat alleen deeltjes bevat - of het nu gewone of donkere materie is. Dus voegen we "donkere energie" toe:een zwakke anti-zwaartekracht die onafhankelijk van materie werkt.

Korte geschiedenis van "donkere energie"

Het idee van donkere energie is zo oud als de algemene relativiteitstheorie zelf. Albert Einstein nam het op toen hij precies 100 jaar geleden voor het eerst relativiteit toepaste op de kosmologie.

Einstein wilde per abuis de zelfaantrekking van materie precies in evenwicht brengen door anti-zwaartekracht op de grootste schalen. Hij kon zich niet voorstellen dat het heelal een begin had en wilde niet dat het in de tijd zou veranderen.

In 1917 was er bijna niets bekend over het heelal. Alleen al het idee dat sterrenstelsels objecten op grote afstanden waren, stond ter discussie.

Einstein stond voor een dilemma. De fysieke essentie van zijn theorie, zoals decennia later samengevat in de introductie van een beroemd leerboek is:

Materie vertelt de ruimte hoe te buigen, en de ruimte vertelt de materie hoe ze moet bewegen.

Dat betekent dat de ruimte van nature wil uitzetten of inkrimpen, meebuigen met de materie. Het staat nooit stil.

Dit werd gerealiseerd door Alexander Friedmann die in 1922 dezelfde ingrediënten behield als Einstein. Maar hij probeerde niet de hoeveelheid materie en donkere energie in evenwicht te brengen. Dat suggereerde een model waarin universums kunnen uitzetten of inkrimpen.

Verder, de expansie zou altijd vertragen als er maar materie aanwezig was. Maar het zou kunnen versnellen als anti-zwaartekracht donkere energie werd opgenomen.

Sinds het einde van de jaren negentig lijken veel onafhankelijke waarnemingen een dergelijke versnelde expansie te vereisen, in een heelal met 70% donkere energie. Maar deze conclusie is gebaseerd op het oude expansiemodel dat sinds de jaren twintig niet is veranderd.

Standaard kosmologisch model

De vergelijkingen van Einstein zijn duivels moeilijk. En niet alleen omdat het er meer zijn dan in de zwaartekrachttheorie van Isaac Newton.

Helaas, Einstein liet enkele fundamentele vragen onbeantwoord. Deze omvatten:op welke schalen vertelt materie de ruimte hoe ze moet buigen? Wat is het grootste object dat als een individueel deeltje beweegt als reactie? En wat is het juiste plaatje op andere schalen?

Deze problemen worden gemakkelijk vermeden door de 100 jaar oude benadering - geïntroduceerd door Einstein en Friedmann - dat, gemiddeld, het heelal breidt zich gelijkmatig uit. Net alsof alle kosmische structuren door een blender zouden kunnen om een ​​soep zonder inhoud te maken.

Deze homogeniserende benadering was vroeg in de kosmische geschiedenis gerechtvaardigd. We weten van de kosmische microgolfachtergrond - de relikwiestraling van de oerknal - dat de variaties in materiedichtheid klein waren toen het heelal minder dan een miljoen jaar oud was.

Maar het universum is niet homogeen tegenwoordig. Zwaartekrachtinstabiliteit leidde tot de groei van sterren, sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels, en uiteindelijk een enorm "kosmisch web", gedomineerd in volume door holtes omgeven door bladen van sterrenstelsels en geregen door piekerige filamenten.

In de standaard kosmologie, we nemen aan dat een achtergrond zich uitbreidt alsof er geen kosmische structuren zijn. Vervolgens doen we computersimulaties met alleen de 330 jaar oude theorie van Newton. Dit levert een structuur op die op een redelijk overtuigende manier lijkt op het waargenomen kosmische web. Maar het vereist het opnemen van donkere energie en donkere materie als ingrediënten.

Zelfs na het uitvinden van 95% van de energiedichtheid van het universum om dingen te laten werken, het model zelf wordt nog steeds geconfronteerd met problemen die variëren van spanningen tot anomalieën.

Verder, de standaardkosmologie stelt ook vast dat de kromming van de ruimte overal uniform is, en losgekoppeld van de materie. Maar dat staat haaks op Einsteins basisidee dat materie de ruimte vertelt hoe te krommen.

We gebruiken niet alle algemene relativiteitstheorie! Het standaardmodel is beter samen te vatten als: Friedmann vertelt de ruimte hoe te buigen, en Newton vertelt de materie hoe ze moeten bewegen.

Vul "terugreactie" in

Sinds het begin van de jaren 2000, sommige kosmologen hebben het idee onderzocht dat hoewel de vergelijkingen van Einstein materie en kromming op kleine schaal met elkaar verbinden, hun grootschalige gemiddelde kan aanleiding geven tot terugreactie - gemiddelde expansie die niet bepaald homogeen is.

Materie- en krommingsverdelingen beginnen bijna uniform als het universum jong is. Maar naarmate het kosmische web ontstaat en complexer wordt, de variaties van kleinschalige kromming worden groot en de gemiddelde expansie kan verschillen van die van de standaardkosmologie.

Recente numerieke resultaten van een team in Boedapest en Hawaï dat beweert af te zien van donkere energie, gebruikten standaard Newtoniaanse simulaties. Maar ze evolueerden hun code vooruit in de tijd door een niet-standaard methode om het terugreactie-effect te modelleren.

Intrigerend, de resulterende uitbreidingswet past bij Planck-satellietgegevenssporen die zeer dicht bij die van een tien jaar oud op algemene relativiteit gebaseerd terugreactiemodel liggen, bekend als de timescape-kosmologie. Het stelt dat we klokken en linialen anders moeten kalibreren als we variaties in kromming tussen sterrenstelsels en holtes beschouwen. Voor een ding, dit betekent dat het heelal niet langer één enkele leeftijd heeft.

In het volgende decennium zal experimenten zoals de Euclid-satelliet en het CODEX-experiment, zal de macht hebben om te testen of kosmische expansie de homogene wet van Friedmann volgt, of een alternatief terugreactiemodel.

Voorbereid zijn, het is belangrijk dat we niet al onze eieren in één kosmologische mand leggen, als Avi Loeb, voorzitter van astronomie aan Harvard, heeft onlangs gewaarschuwd. In Loebs woorden:

Om stagnatie te voorkomen en een levendige wetenschappelijke cultuur te koesteren, een onderzoeksfrontier moet altijd ten minste twee manieren behouden om gegevens te interpreteren, zodat nieuwe experimenten erop gericht zullen zijn de juiste te selecteren. Een gezonde dialoog tussen verschillende gezichtspunten moet worden bevorderd door middel van conferenties die conceptuele kwesties bespreken en niet alleen experimentele resultaten en fenomenologie, zoals nu vaak het geval is.

Wat kan de algemene relativiteitstheorie ons leren?

Hoewel de meeste onderzoekers accepteren dat de terugreactie-effecten bestaan, het echte debat gaat over de vraag of dit kan leiden tot meer dan 1% of 2% verschil met het massa-energiebudget van de standaardkosmologie.

Elke terugreactieoplossing die donkere energie elimineert, moet verklaren waarom de wet van gemiddelde uitzetting zo uniform lijkt ondanks de inhomogeniteit van het kosmische web, iets wat de standaard kosmologie aanneemt zonder uitleg.

Omdat de vergelijkingen van Einstein in principe de ruimte op uiterst gecompliceerde manieren kunnen laten uitbreiden, een vereenvoudigingsprincipe is vereist voor hun grootschalige gemiddelde. Dit is de benadering van de timescape-kosmologie.

Elk vereenvoudigend principe voor kosmologische gemiddelden vindt waarschijnlijk zijn oorsprong in het zeer vroege heelal, aangezien het veel eenvoudiger was dan het universum van vandaag. De afgelopen 38 jaar, Inflatoire universum-modellen zijn ingeroepen om de eenvoud van het vroege heelal te verklaren.

Hoewel succesvol in sommige aspecten, veel inflatiemodellen worden nu uitgesloten door satellietgegevens van Planck. Degenen die overleven, geven prikkelende hints van diepere fysieke principes.

Veel natuurkundigen zien het heelal nog steeds als een vast continuüm dat onafhankelijk van de materievelden die erin leven ontstaat. Maar, in de geest van relativiteit - dat ruimte en tijd alleen betekenis hebben als ze relationeel zijn - moeten we misschien basisideeën heroverwegen.

Aangezien de tijd zelf alleen wordt gemeten door deeltjes met een rustmassa die niet nul is, misschien komt ruimtetijd zoals we die kennen pas tevoorschijn als de eerste massieve deeltjes condenseren.

Wat de uiteindelijke theorie ook is, het zal waarschijnlijk de belangrijkste innovatie van de algemene relativiteitstheorie belichamen, namelijk de dynamische koppeling van materie en geometrie, op kwantumniveau.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.