De kosmologische constante, een eeuw geleden geïntroduceerd door Albert Einstein in zijn algemene relativiteitstheorie, is een doorn in het oog van natuurkundigen. Het verschil tussen de theoretische voorspelling van deze parameter en de meting ervan op basis van astronomische waarnemingen is in de orde van 10 ¹²¹ . Het is geen verrassing om te horen dat deze schatting als de slechtste in de hele geschiedenis van de natuurkunde wordt beschouwd. In een artikel dat wordt gepubliceerd in Natuurkunde Letters B , een onderzoeker van de Universiteit van Genève (UNIGE), Zwitserland, stelt een aanpak voor die deze inconsistentie schijnbaar kan oplossen. Het oorspronkelijke idee in het artikel is om te accepteren dat een andere constante - Newtons universele zwaartekracht G, die ook deel uitmaakt van de vergelijkingen over de algemene relativiteitstheorie kan variëren. Deze potentieel grote doorbraak, die positief is ontvangen door de wetenschappelijke gemeenschap, moet nog worden nagestreefd om voorspellingen te genereren die experimenteel kunnen worden bevestigd (of weerlegd).

"Mijn werk bestaat uit een nieuwe wiskundige manipulatie van de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie die het eindelijk mogelijk maakt om theorie en observatie over de kosmologische constante te harmoniseren, " zegt Lucas Lombriser, assistent-professor bij de afdeling Theoretische Fysica van de Faculteit Wetenschappen van UNIGE en enige auteur van het artikel.

Uitbreiding in volle versnelling

De kosmologische constante Λ (lambda) werd meer dan een eeuw geleden door Einstein geïntroduceerd in vergelijkingen over de algemene relativiteitstheorie. De gevierde natuurkundige had de constante nodig om ervoor te zorgen dat zijn theorie compatibel zou zijn met een universum waarvan hij dacht dat het statisch was. Echter, in 1929 ontdekte een andere natuurkundige - Edwin Hubble - dat de sterrenstelsels allemaal van elkaar weg bewegen, een teken dat het heelal daadwerkelijk uitdijt. Bij het leren hiervan, Einstein betreurde het feit dat hij de kosmologische constante had geïntroduceerd, die in zijn ogen nutteloos was geworden, en beschreef het zelfs als 'de grootste blunder van mijn leven'.

In 1998, de nauwkeurige analyse van verre supernova's leverde het bewijs dat de uitdijing van het heelal, verre van constant, versnelt eigenlijk, alsof een mysterieuze kracht de kosmos steeds sneller doet opzwellen. De kosmologische constante werd vervolgens opnieuw aangeroepen om te beschrijven wat natuurkundigen 'vacuümenergie' noemen - een energie waarvan de aard onbekend is (we praten over donkere energie, kwintessens, enz.), maar die verantwoordelijk is voor de versnelde uitdijing van het heelal.

De meest nauwkeurige waarnemingen van supernova's, en vooral van de kosmische microgolfachtergrond (microgolfstraling die uit alle delen van de lucht komt en die wordt beschouwd als een overblijfsel van de oerknal), hebben het mogelijk gemaakt om een ​​experimentele waarde voor deze kosmologische constante te meten. Het resultaat is een heel klein cijfer (1,11 × 10 ^-52 m ^-2 ) die toch groot genoeg is om het gewenste effect van versnelde expansie te genereren.

Enorme kloof tussen theorie en observatie

Het probleem is dat de theoretische waarde van de kosmologische constante heel anders is. Deze waarde wordt verkregen met behulp van de kwantumveldentheorie:dit houdt in dat deeltjesparen op zeer kleine schaal vrijwel onmiddellijk op elk punt van de ruimte en op elk moment worden gecreëerd en vernietigd. De energie van deze "vacuümfluctuatie" - een zeer reëel fenomeen - wordt geïnterpreteerd als een bijdrage aan de kosmologische constante. Maar wanneer de waarde wordt berekend, een enorm cijfer wordt verkregen (3,83 × 10 ⁺⁶⁹ m ^-2 ), wat grotendeels onverenigbaar is met de experimentele waarde. Deze schatting vertegenwoordigt de grootste kloof die ooit is verkregen (met een factor 10 ¹²¹ ) tussen theorie en experiment in de wetenschap.

Dit probleem van de kosmologische constante is een van de 'hotste' onderwerpen in de huidige theoretische fysica, en het mobiliseert talloze onderzoekers over de hele wereld. Iedereen bekijkt de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie van alle kanten in een poging om ideeën op te graven die de kwestie zullen oplossen. Hoewel er verschillende strategieën zijn voorgesteld, er is voorlopig geen algemene consensus.

Professor Lombriser, voor zijn deel, had een paar jaar geleden het oorspronkelijke idee om een ​​variatie te introduceren in de universele gravitatieconstante G (Newton's) die voorkomt in de vergelijkingen van Einstein. Dit betekent dat het heelal waarin wij leven (met een G van 6.674 08 × 10 ^-11 m ³ / kg s ² ) wordt een speciaal geval onder een oneindig aantal verschillende theoretische mogelijkheden.

Na tal van ontwikkelingen en hypothesen, professor Lombriser's wiskundige benadering maakt het mogelijk om de parameter ΩΛ (omega lambda) te berekenen, wat een andere manier is om de kosmologische constante uit te drukken, maar die veel gemakkelijker te manipuleren is. Deze parameter geeft ook het huidige deel van het universum aan dat bestaat uit donkere energie (de rest bestaat uit materie). De theoretische waarde die de in Genève woonachtige fysicus behaalt, is 0,704 of 70,4 procent. Dit cijfer komt nauw overeen met de beste experimentele schatting die tot nu toe is verkregen, 0,685 of 68,5 procent, waarin staat dat dit een enorme verbetering is ten opzichte van de 10 ¹²¹ verschil.

Dit aanvankelijke succes moet nu worden gevolgd door verdere analyses om te verifiëren of het door Lombriser voorgestelde nieuwe raamwerk kan worden gebruikt om andere mysteries van de kosmologie te herinterpreteren of te verduidelijken. De fysicus is al uitgenodigd om zijn aanpak te presenteren en toe te lichten op wetenschappelijke conferenties, die de belangstelling van de gemeenschap weerspiegelt.