Kosmologie heroverwogen: expansie van het universum mogelijk niet gelijkmatig
Astronomen gaan er al decennia van uit dat het heelal in alle richtingen met dezelfde snelheid uitbreidt. Een nieuwe studie gebaseerd op gegevens van ESA's XMM-Newton, NASA's Chandra en de door Duitsland geleide ROSAT-röntgenobservatoria suggereert dat dit belangrijke uitgangspunt van de kosmologie mogelijk onjuist is.
Konstantinos Migkas, een PhD-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 zouden kunnen testen. Volgens deze veronderstelling heeft het heelal, ondanks enkele lokale verschillen, op grote schaal in iedere richting dezelfde eigenschappen.
De hypothese wordt algemeen aanvaard als een gevolg van gevestigde fundamentele fysica en wordt ondersteund door waarnemingen van de kosmische achtergrondstraling (CMB). De CMB, een direct overblijfsel van de oerknal, weerspiegelt de toestand van het heelal op het moment dat deze slechts 380.000 jaar oud was. De uniforme verdeling van de CMB suggereert dat in die vroege dagen het heelal zich snel en in hetzelfde tempo in alle richtingen had moeten uitbreiden.
In het universum van vandaag is dit misschien niet langer waar.
“Samen met collega's van de Universiteit van Bonn en de Harvard-universiteit, hebben we gekeken naar het gedrag van meer dan 800 melkwegclusters in het huidige heelal,” zegt Konstantinos. “Indien de isotropiehypothese correct was, zouden de eigenschappen van de clusters in de ruimte uniform zijn. We hebben echter aanzienlijke verschillen opgemerkt.”
De astronomen gebruikten röntgentemperatuurmetingen van het extreem hete gas die de clusters doordringt en vergeleken de data met de helderheid van de clusters. Clusters met dezelfde temperatuur en gelegen op een evengrote afstand zouden dezelfde helderheid moeten tonen. Dit is echter niet wat de astronomen observeerden.
“We zagen dat clusters met dezelfde eigenschappen en gelijke temperaturen minder helderheid toonden dan wat we zouden verwachten in een bepaalde richting van het heelal. Andersom, merkten we op dat clusters meer helderheid toonden dan verwacht in een andere richting,” zegt Thomas. “Het verschil was met circa 30 procent vrij aanzienlijk. Deze verschillen zijn niet willekeurig, maar tonen een duidelijk patroon, afhankelijk van welke richting van het heelal we observeerden.”
Voordat Konstantinos en zijn collega's het algemeen aanvaarde kosmologiemodel, dat de basis vormt voor het schatten van de clusterafstanden, weerlegden, keken ze eerst naar andere mogelijke verklaringen. Misschien kunnen er onopgemerkte gas- of stofwolken zijn die het zicht belemmeren en waardoor clusters in een bepaald gebied donkerder lijken. De gegevens ondersteunen dit scenario echter niet.
In sommige delen van de ruimte kan de verspreiding van clusters worden beïnvloed door bulkstromen, grootschalige bewegingen van materie veroorzaakt door de zwaartekracht van extreem massieve samenstellingen zoals grote clustergroepen. Deze hypothese lijkt echter ook onwaarschijnlijk. Konstantinos voegt toe dat de bevindingen het team verrasten.
“Als het heelal echt anisotroop is, ook als dit slechts het geval was voor de afgelopen paar miljard jaar, zou dat een enorme paradigmaverschuiving betekenen, omdat bij het analyseren van deze eigenschappen rekening moet worden gehouden met de richting van ieder object', zegt hij. “Vandaag schatten we bijvoorbeeld de afstand van zeer verre objecten in het heelal door een reeks kosmologische parameters en vergelijkingen toe te passen. We zijn van mening dat deze parameters overal hetzelfde zijn. Als echter onze conclusies juist blijken te zijn, 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 universum mogelijk niet gelijkmatig in alle richtingen uitzet, maar dit resultaat - de eerste keer dat sterrenstelselclusters zijn onderzocht aan de hand van röntgenstralen - heeft een veel grotere betekenis en biedt ook een groot potentieel voor toekomstige onderzoeken.”
De wetenschappers speculeren dat dit mogelijk ongelijkmatige effect betreffende kosmische expansie wordt veroorzaakt door donkere energie, de mysterieuze component van de kosmos die de meerderheid - ongeveer 69% - van zijn totale energie uitmaakt. Er is tegenwoordig heel weinig bekend over donkere energie, behalve dat het de uitzetting van het heelal in de afgelopen paar miljard jaar lijkt te versnellen.
Access the video
ESA’s nieuwe telescoop Euclid, ontworpen om miljarden stellerenstelsels in beeld te brengen en de uitzetting van de kosmos, de versnelling ervan en de aard van donkere energie nauwkeurig te onderzoeken, zou dit mysterie in de toekomst kunnen helpen oplossen.
“De bevindingen zijn erg interessant, maar de steekproef in het onderzoek is nog relatief klein om zulke diepgaande conclusies te trekken”, zegt René Laureijs, Euclid-projectwetenschapper bij ESA. “Dit is het beste wat we kunnen doen met de beschikbare gegevens, maar als we het algemeen aanvaarde kosmologische model echt zouden heroverwegen, zouden we meer gegevens nodig hebben.”
En Euclid zou precies dat kunnen doen. Het ruimtevaartuig, dat in 2022 zal worden gelanceerd, zou niet alleen bewijzen kunnen vinden dat donkere energie de oorzaak is van de ongelijkmatige uitzetting van het heelal, het zal de wetenschappers ook in staat stellen meer gegevens te verzamelen over de eigenschappen van een groot aantal melkwegclusters, die mogelijk de huidige bevindingen ondersteunen of weerleggen.
Meer data zal ook binnenkort worden geleverd door het eROSITA-röntgeninstrument, gebouwd door het Max Planck Instituut voor buitenaardse fysica. Het instrument, aan boord van de onlangs gelanceerde Duits-Russische satelliet Spektr-RG, zal het eerste all-sky onderzoek uitvoeren met gemiddelde energie röntgenstralen, zich concentrerend op het ontdekken van tienduizenden voorheen onbekende melkwegclusters en actieve galactische centra.
‘Probing cosmic isotropy with a new X-ray galaxy cluster sample through the LX−Tscaling relation’ door K. Migkas et al. (2020) is gepubliceerd in Astronomy & Astrophysics (DOI: 10.1051/0004-6361/201936602).
Voor meer informatie, gelieve contact op te nemen met:
Konstantinos Migkas
Argelander Instituut voor Astronomie
Universiteit van Bonn, Duitsland
E-mail: kmigkas@astro.uni-bonn.de
Thomas Reiprich
Argelander Instituut voor Astronomie
Universiteit van Bonn, Duitsland
E-mail: reiprich@astro.uni-bonn.de
Norbert Schartel
XMM-Newton-projectwetenschapper
ESA
E-mail: Norbert.Schartel@esa.int
ESA Media Relations
E-mail: media@esa.int