Welke vorm heeft het heelal? Een nieuwe studie suggereert dat we het helemaal mis hebben

De Planck-wetenschappers merkten het groter dan verwachte lenseffect jaren geleden al op; de anomalie kwam het duidelijkst naar voren in hun definitieve analyse van de volledige dataset, die vorig jaar werd vrijgegeven. Als het heelal vlak is, verwachten kosmologen dat een krommingsmeting binnen ongeveer één “standaardafwijking” van nul valt, als gevolg van willekeurige statistische fluctuaties in de gegevens. Maar zowel het Planck-team als de auteurs van het nieuwe artikel ontdekten dat de CMB-gegevens met 3,4 standaardafwijkingen afwijken. Aangenomen dat het heelal vlak is, is dit een grote toevalstreffer – ongeveer hetzelfde als wanneer je 11 keer achter elkaar kop zou gooien bij een muntopgooi, wat minder dan 1% van de tijd gebeurt. Het Planck-team schrijft de meting toe aan zo’n toevalstreffer, of aan een niet te verklaren effect dat het CMB-licht vertroebelt en het effect van extra materie nabootst.

Of misschien is het heelal echt gesloten. Di Valentino en zijn mede-auteurs wijzen erop dat een gesloten model ook andere anomalieën in de CMB oplost. Onderzoekers leiden bijvoorbeeld de waarden af van de hoofdbestanddelen van ons heelal, zoals de hoeveelheid donkere materie en donkere energie, door variaties te meten in de kleur van het CMB-licht dat uit verschillende regio’s aan de hemel komt. Maar vreemd genoeg krijgen ze verschillende antwoorden wanneer ze kleine regio’s aan de hemel vergelijken met grote regio’s. De auteurs wijzen erop dat wanneer je deze waarden herberekent uitgaande van een gesloten heelal, ze niet verschillen.

Will Kinney, een kosmoloog aan de University at Buffalo in New York, noemde dit bonusvoordeel van het gesloten heelalmodel “heel interessant.” Maar hij merkte op dat de discrepanties tussen de kleinschalige en grootschalige variaties die in het CMB-licht te zien zijn, gemakkelijk zelf statistische fluctuaties kunnen zijn, of ze kunnen voortkomen uit dezelfde ongeïdentificeerde fout die van invloed kan zijn op de lenzenmeting.

Er zijn slechts zes van deze belangrijke eigenschappen die het heelal vormen, volgens de standaardtheorie van de kosmologie, die bekend staat als ΛCDM (genoemd naar donkere energie, weergegeven door de Griekse letter Λ, of lambda, en koude donkere materie). Met slechts zes getallen beschrijft ΛCDM nauwkeurig bijna alle kenmerken van de kosmos. En ΛCDM voorspelt geen kromming; volgens ΛCDM is het heelal plat.

In het nieuwe artikel wordt feitelijk betoogd dat we misschien een zevende parameter aan ΛCDM moeten toevoegen: een getal dat de kromming van het heelal beschrijft. Voor de lensing meting verbetert het toevoegen van een zevende getal de overeenkomst met de data.

Maar andere kosmologen stellen dat we, voordat we een anomalie serieus genoeg nemen om een zevende parameter aan de theorie toe te voegen, rekening moeten houden met alle andere dingen die ΛCDM goed doet. Natuurlijk kunnen we ons concentreren op deze ene anomalie – een munt die 11 keer achter elkaar op kop valt – en zeggen dat er iets niet klopt. Maar de CMB is zo’n enorme dataset dat het is alsof je honderden of duizenden keren een muntje opgooit. Het is niet zo moeilijk om je voor te stellen dat we daarbij een keer 11 keer kop zullen zien. Natuurkundigen noemen dit het “kijk elders”-effect.

Verder merken de onderzoekers op dat de zevende parameter niet nodig is voor de meeste andere metingen. Er is een tweede manier om de ruimtelijke kromming uit de CMB af te leiden, door het meten van correlaties tussen licht van sets van vier punten aan de hemel; deze “lensing reconstructie” meting geeft aan dat het heelal vlak is, zonder dat er een zevende parameter nodig is. Bovendien wijzen de onafhankelijke waarnemingen van het BOSS-onderzoek van kosmologische signalen genaamd baryon akoestische oscillaties ook op vlakheid. Planck combineerde in hun analyse van 2018 hun lenzenmeting met deze twee andere metingen en kwam uit op een algemene waarde voor de ruimtelijke kromming binnen één standaardafwijking van nul.

Di Valentino, Melchiorri en Silk denken dat het bij elkaar trekken van deze drie verschillende datasets maskeert dat de verschillende datasets het eigenlijk niet eens zijn. “Het punt hier is niet dat het universum gesloten is,” zei Melchiorri per e-mail. “Het probleem is de inconsistentie tussen de gegevens. Dit geeft aan dat er momenteel geen concordantie model is en dat we iets missen.” Met andere woorden, ΛCDM is fout of onvolledig.

Alle andere onderzoekers die voor dit artikel zijn geraadpleegd, denken dat het gewicht van het bewijs erop wijst dat het heelal plat is. “Gezien de andere metingen,” zei Addison, “is de duidelijkste interpretatie van dit gedrag van de Planck-gegevens dat het een statistische fluctuatie is. Misschien wordt het veroorzaakt door een kleine onnauwkeurigheid in de Planck-analyse, of misschien zijn het gewoon ruisfluctuaties of willekeurig toeval. Maar hoe dan ook, er is niet echt een reden om dit gesloten model serieus te nemen.”

Dat wil niet zeggen dat er geen stukjes ontbreken in het kosmologische plaatje. Het lijkt erop dat ΛCDM de verkeerde waarde voorspelt voor de huidige uitdijingssnelheid van het heelal, waardoor een controverse is ontstaan die bekend staat als het probleem van de Hubble-constante. Maar de aanname dat het heelal gesloten is, lost dit probleem niet op – in feite verslechtert de voorspelling van de uitdijingssnelheid door kromming toe te voegen. Afgezien van de afwijkende lenzenmeting van Planck is er geen reden om te denken dat het heelal gesloten is.

“De tijd zal het leren, maar persoonlijk maak ik me hier geen grote zorgen over,” zei Kinney, verwijzend naar de suggestie van kromming in de CMB-gegevens. “Het is van een soort met vergelijkbare anomalieën die damp zijn gebleken.”

Update: 15 juli 2020
Nieuwe metingen van de kosmische microgolfachtergrond door de Atacama Cosmology Telescope vinden dat het universum vlak is, met een dichtheid die overeenkomt met de kritische dichtheid. “We vinden geen bewijs van afwijking van de vlakheid,” schrijven de ACT-wetenschappers, “wat de interpretatie ondersteunt dat het om een statistische fluctuatie gaat.”

Verbeterd op 4 november 2019: De oorspronkelijke versie van dit artikel verwees naar de BOSS-satelliet. In feite werd het BOSS-onderzoek uitgevoerd met een telescoop op de grond.

Dit artikel werd in het Spaans herdrukt op Investigacionyciencia.es.