Afbuigend sterrenlicht meet uitdijing Heelal
Het is een van de grote debatten in de kosmologie: het heelal dijt uit, maar hoe snel precies? Twee beschikbare meetmethoden leveren verschillende resultaten op. Een derde, onafhankelijke meetmethode gebaseerd op het afbuigen van licht door sterrenstelsels, is verbeterd door Leidse natuurkundige David Harvey.
We weten al bijna een eeuw dat het heelal uitdijt. Astronomen zagen dat licht van verre sterrenstelsels een lagere golflengte heeft dan sterrenstelsels dichterbij. Hun lichtgolven lijken opgerekt, ofwel roodverschoven, wat betekent dat die sterrenstelsels van ons af bewegen.
We weten hoe ver weg die sterrenstelsels staan door hun lichtsterkte. Bepaalde supernova's, exploderende sterren, hebben een vaste helderheid die we goed kunnen voorspellen. Dat maakt het mogelijk om de afstand te schatten: hoe verder het sterrenstelsel, hoe minder helder de supernova lijkt.
Deze afstand is weer te koppelen aan de roodverschuiving, of snelheid, wat een maat oplevert voor de uitdijing van het heelal, de Hubble-constante: voor iedere megaparsec afstand (een parsec is 3.3 lichtjaar) neemt de snelheid waarmee de sterrenstelsels van ons af bewegen toe met 73 kilometer per seconde.
-
Sterlicht bereikt de aarde via verschillende routes -
Als de zwaartekrachtlens niet helemaal in het midden staat, is één route langer -
Variaties in het sterlicht arriveren op verschillende momenten, waardoor de afstand gemeten kan worden -
Een vergelijking tussen afstand en roodverschuiving/snelheid, bepaald de Hubble-constante
Zwaartekrachtlenzen
Maar een andere meting levert een andere waarde op. Steeds preciezere metingen van de kosmische achtergrondstraling, een overblijfsel van het heelal in zijn baby-jaren, levert een Hubble-constante op van 67 kilometer per seconde per megaparsec.
Hoe is dat mogelijk? Waar komt dat verschil vandaan? En zou dit verschil misschien iets nieuws aan het licht kunnen brengen over de natuurkunde achter de uitdijing? 'Dit is waarom een derde type meting nu aandacht krijgt, onafhankelijk van die andere twee', zegt natuurkundige David Harvey, 'dat zijn zwaartekrachtlenzen.'
Harvey publiceerde een artikel in het vakblad Monthly Notices of the Royal Astronomical Society over verbeteringen van deze methode.
Einstein
Albert Einsteins Algemene Relativiteitstheorie voorspelt dat een massaconcentratie, zoals een sterrenstelsel, licht kan afbuigen, zoals een lens. Als zo'n sterrenstelsel precies voor een heldere lichtbron staat, wordt het licht er omheen gebogen, zodat het de aarde bereikt via verschillende routes. Dit geeft dan twee, of soms zelfs vier, afbeeldingen van dezelfde lichtbron.
In 1964 had de Noorse astrofysicus Sjur Refsdal een inval: als het tussenliggende lens-sterrenstelsel niet helemaal precies in midden ligt, is één van die routes langer dan de andere. Dat betekent dat het licht daar ook langer over doet. Dus als er een variatie is in de helderheid van de lichtbron, zal deze oprisping in één van de afbeeldingen eerder zichtbaar zijn dan in de andere. Het tijdsverschil zou kunnen oplopen tot dagen, weken, of zelfs maanden.
Het tijdsverschil, liet Refsdal zien, kunnen astronomen geburiken om afstanden naar de bron te berekenen. In combinatie met de roodverschuiving van de bron, geeft dat een derde meting van de Hubble-constante, onafhankelijk van de andere twee.
HoliCOW
De onderzoekssamenwerking HoliCOW heeft zes van deze lenzen langere tijd gemeten, en kwam op een Hubble-constante van ongeveer 73, in overeenstemming met de supernova-metingen. Maar er zijn complicaties: ook de massa van het lens-sterrenstelsel heeft invloed op het tijdsverschil, afhankelijk van de precieze massaverdeling. 'Die verdeling moet je modelleren, maar er blijven veel onbekende factoren over.' Deze onzekerheden beperken de onzekerheid van deze meettechniek.
Dit moet veranderen met het online komen van een nieuwe telescoop in Chili in 2021, die de complete sterrenhemel elke paar nachten in kaart brengt. Dit zogeheten Vera Rubin-observatorium zal naar verwachting duizenden dubbele gelensde bronnen ontdekken, en daarmee de mogelijkheid om de Hubble-constante verder te preciseren.
Vanwege de gekozen cookie-instellingen kunnen we deze video hier niet tonen.
Bekijk de video op de oorspronkelijke website ofDuizenden zwaartekrachtlenzen
Harvey: 'Het probleem is alleen dat het modelleren van al die verschillende lens-sterrenstelsels onmogelijk is met de beschikbare rekenkracht.' In plaats daarvan ontwikkelde Harvey een methode om het gemiddelde effect te berekenen van de massa-verdelingen van duizenden zwaartekrachtlenzen.'
'Op die manier zijn individuele details van zwaartekrachtlenzen niet zo belangrijk, en je hoeft ze niet allemaal los te simuleren. Je modelleert eigenlijk de complete populatie aan zwaartekrachtlenzen', zegt Harvey.
'In het paper laat ik zien dat deze aanpak de foutmarge in de Hubble-constante terug kan brengen naar 2 procent als je tegen de duizenden sterrenstelsels meeneemt.'
Deze foutenmarge maakt het mogelijk een vergelijking te maken tussen de verschillende Hubble-constanten, en helpt misschien zelfs het verschil te begrijpen. 'En als je onder die 2 procent wil duiken, moet je het model nog verder verbeteren met betere simulaties', zegt Harvey, 'ik verwacht dat dat goed mogelijk is.'