Zou het universum twee keer zo oud kunnen zijn als de huidige schattingen suggereren
Penn Professors Vijay Balasubramanian en Mark Devlin bieden een breder begrip van de bewering van een recent artikel dat het universum 26,7 miljard jaar oud zou kunnen zijn.
Bij de foto: Deze afbeelding van het Kitt Peak National Observatory van contextualiseert de locaties van Supernova 2004et en Supernova 2017eaw in het sterrenstelsel. Afbeelding: KPNO, NSF's NOIRLab, AURA, Alyssa Pagan (STScI)
Zou het heelal twee keer zo oud kunnen zijn als de huidige schattingen naar voren brengen? Rajendra Gupta van de Universiteit van Ottawa publiceerde onlangs een paper die precies dat suggereert. Gupta beweert dat het universum ongeveer 26,7 miljard jaar oud kan zijn in plaats van de algemeen aanvaarde 13,8 miljard. Het nieuws heeft veel krantenkoppen gegenereerd, evenals kritiek van astronomen en de grotere wetenschappelijke gemeenschap.
Bij de foto: NASA's James Webb Space Telescope heeft het diepste en scherpste infraroodbeeld van het verre universum tot nu toe geproduceerd. Deze afbeelding van de cluster van sterrenstelsel staat bekend als Webb's First Deep Field en is rijk aan details. Duizenden sterrenstelsels – waaronder de zwakste objecten die ooit in het infrarood zijn waargenomen – zijn voor het eerst in Webb's beeld verschenen. De afbeelding toont de cluster SMACS 0723 zoals deze 4,6 miljard jaar geleden verscheen. De gecombineerde massa van deze cluster van sterrenstelsels fungeert als een zwaartekrachtlens en vergroot veel verder weg gelegen sterrenstelsels erachter. Webb's Near-Infra Red Cam heeft die verre sterrenstelsels scherp in beeld gebracht - ze hebben kleine, zwakke structuren die nog nooit eerder zijn gezien, waaronder sterrenhopen en diffuse kenmerken. Afbeelding: NASA, ESA, CSA en STScI
Penn Today ontmoette professoren Vijay Balasubramanian en Mark Devlin om de bevindingen van Gupta te bespreken en de redenering van deze beweringen beter te begrijpen en hoe ze passen in de bredere context van problemen die astronomen proberen op te lossen.
Hoe weten we hoe oud het heelal eigenlijk is?
Balasubramanian: Er wordt vaak gemeld dat het universum 13,8 miljard jaar oud is, maar eerlijk gezegd is dit een samensmelting van verschillende metingen die rekening houden met verschillende soorten gegevens met betrekking tot de schijnbare leeftijden van 'dingen' in het universum.
Dit spul omvat waarneembare of gewone materie zoals jij, ik, sterrenstelsels ver en dichtbij, sterren, straling en de planeten, dan donkere materie - het soort materie dat geen interactie heeft met licht en dat ongeveer 27% van het universum uitmaakt - en ten slotte, donkere energie, die een enorm deel van het universum vormt, ongeveer 68%, en is wat we geloven dat het universum doet uitdijen.
En dus nemen we zoveel mogelijk informatie over de dingen en bouwen we wat we een consensusmodel van het universum noemen, in wezen een lijn van beste pasvorm. We noemen het model de Lambda Cold Dark Matter (ΛCDM) (*).
Lambda vertegenwoordigt de kosmologische constante, die gekoppeld is aan donkere energie, namelijk hoe het de uitdijing van het universum aandrijft volgens Einsteins algemene relativiteitstheorie.
In dit raamwerk bepaalt de manier waarop materie en energie zich in het heelal gedragen de geometrie van ruimtetijd, die op zijn beurt weer beïnvloedt hoe materie en energie zich door de kosmos bewegen. Het opnemen van deze kosmologische constante, Lambda, maakt een verklaring mogelijk van een universum dat versneld uitdijt, wat consistent is met onze waarnemingen.
Nu vertegenwoordigt het deel Koude Donkere Materie een hypothetische vorm van donkere materie.
‘Donker' betekent hier dat het geen wisselwerking heeft met licht en het ook geen licht uitzendt, dus het is heel moeilijk te detecteren. 'Koud' verwijst naar het feit dat de deeltjes langzaam bewegen omdat wanneer dingen afkoelen hun componenten minder bewegen, terwijl wanneer ze opwarmen de componenten opgewonden raken en meer bewegen ten opzichte van de snelheid van het licht.
Dus als je kijkt naar de vroege vorming van het universum, beïnvloedt deze 'traagheid' de vorming van structuren in het universum zoals sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels, in die zin dat kleinere structuren zoals de sterrenstelsels zich vormen vóór de grotere, de clusters.
Bij de afbeelding: Schematische weergave van de geschiedenis van het heelal. Afbeelding: NASA
Devlin: En dan een stap terug doen, de manier waarop kosmologie werkt en hoe oud dingen zijn, is dat we kijken naar de manier waarop het universum er vandaag uitziet, hoe alle structuren erin zijn gerangschikt, en we vergelijken het met hoe het vroeger was met een reeks kosmologische parameters zoals kosmische microgolfachtergrond (CMB) (**) straling, de nagloed van de oerknal, en de oudst bekende bron van elektromagnetische straling, of licht.
We noemen het ook wel de babyfoto van het heelal, omdat het ons een glimp laat zien van hoe het heelal eruitzag toen het 380.000 jaar oud was, lang voordat sterren en sterrenstelsels werden gevormd.
Wat we weten over de fysieke aard van het universum van de CMB is dat het iets heel glads, dicht en heet was. En naarmate het bleef uitbreiden en afkoelen, begon de dichtheid te variëren, en deze variaties was het begin voor de vorming van kosmische structuren.
De dichtere gebieden van het universum begonnen in te storten onder hun eigen zwaartekracht en vormden de eerste sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Dit is dus de reden waarom, als we vandaag naar het universum kijken, we dit enorme kosmische web van sterrenstelsels en clusters zien, gescheiden door enorme leegtes. Dit proces van structuurvorming is nog steeds aan de gang.
En dus suggereert het ΛCDM-model dat de belangrijkste drijvende kracht achter deze structuurvorming donkere materie was, die zwaartekracht uitoefent en die kort na de oerknal begon samen te klonteren. Deze klonten donkere materie trokken de gewone materie aan en vormden zo de kiem van sterrenstelsels en grotere kosmische structuren.
Dus, met modellen zoals de ΛCDM en de kennis van hoe snel licht reist, kunnen we stukjes informatie, of parameters, toevoegen die we hebben van dingen zoals de CMB en andere lichtbronnen in ons universum, zoals die we krijgen van andere verre sterrenstelsels, en we zien deze routekaart voor het universum die ons waarschijnlijk zijn leeftijd geeft. Waarvan we denken dat het ergens in de buurt van 13,8 miljard jaar ligt.
Hoe kwam Gupta aan 26,7 miljard?
Devlin: Bij het nadenken over de evolutie van het universum en de parameters die we hebben gebruikt om het begrip dat we hebben te ontwikkelen, zouden we de term 'routekaart' kunnen gebruiken en uitbreiden naar een metafoor.
Stel dat ik van mijn kantoor bij David Rittenhouse Labs hier in Philadelphia naar het Griffith Observatory in Los Angeles reed. Er zijn veel verschillende paden die ik had kunnen gebruiken om daar te komen, maar je bent geïnteresseerd in degene die ik daadwerkelijk heb gebruikt. Om dat uit te zoeken, zou je waarschijnlijk zeggen: 'Hij kan niet zomaar in een rechte lijn richting Los Angeles rijden; hij moet door vijf specifieke steden of checkpoints.'
En zodra je het potentiële pad naar die checkpoints beperkt, krijg je een hypothetisch pad dat mijn specifieke route nauwkeuriger in kaart brengt. Dan zou je het preciezer kunnen definiëren door steeds meer steden toe te voegen, waardoor je een nog dichter bij het exacte pad zou komen dat ik heb gebruikt.
Dus, net zoals je mijn pad van Philly naar Los Angeles zou benaderen, is - wat we betrouwbaar kunnen doen met het universum - een voorspelling doen van hoe zijn toestand zou zijn geweest op een bepaald tijdstip. Dan kunnen we controleren hoe dicht onze benadering was en het is meestal heel dichtbij. Het is alsof je zegt dat ik door Chicago en Denver ben gegaan en dan alle andere steden voorspel en het allemaal goed doe.
De lichtsnelheid is een kritische constante die we gebruiken om deze checkpoints te bepalen. Omdat licht tijd nodig heeft om te reizen, laat het observeren van verre kosmische objecten ons een beetje terugkijken in de tijd. In wezen, hoe verder weg een object is, hoe langer het licht erover heeft gedaan om bij ons te komen, en dus hoe ouder de toestand is waarin we het observeren.
Dit idee vormt de basis voor het bepalen van de checkpoints in onze kosmische reis, waarbij elke unieke waarneming van licht overeenkomt met een specifiek tijdperk in de geschiedenis van het universum.
Door de toestand van het universum in deze verschillende tijdperken te meten, stellen we zijn evolutionaire pad samen. Hoe meer metingen we doen - of, in het verlengde van onze metafoor, hoe meer 'steden' we toevoegen - hoe nauwkeuriger we de reis van het universum van het begin tot de huidige staat in kaart kunnen brengen.
En, net als onze hypothetische reis door het land, is er altijd ruimte voor ontdekking en verfijning in deze kosmische routekaart, wat dit artikel heeft geprobeerd.
Hij biedt een verklaring voor enkele recente waarnemingen van de James Webb Space Telescope (JWST) die suggereren dat verre sterrenstelsels volwassener zijn dan ΛCDM zou toestaan.
Balasubramanian: Het probleem dat dit artikel probeert aan te pakken wordt het onmogelijke vroege sterrenstelselprobleem genoemd, en hij stelt een hybride model voor dat de ΛCDM aanbrengt op een theorie die stelt dat licht 'moe' wordt als het over miljarden en miljarden jaren reist, namelijk dat het energie verliest door verschillende mechanismen.
Andere versies van dit idee omvatten theorieën dat fundamentele constanten zoals de snelheid van het licht in de loop van de tijd varieerden.
In wezen suggereert het artikel dat roodverschuiving - een fenomeen waarbij licht of andere elektromagnetische straling van een object in golflengte toeneemt, of 'verschuift' naar het rode uiteinde van het spectrum, wat aangeeft dat het object zich van de waarnemer verwijdert - verkeerd is gekalibreerd.
Het “tired light”-idee is niet nieuw en het bestaat al een tijdje; het werd in 1929 voorgesteld door Fritz Zwicky kort nadat Edwin Hubble voor het eerst had vastgelegd hoe de roodverschuiving van een sterrenstelsel gecorreleerd was met de afstand tot de waarnemer, dat wil zeggen wij.
Dit tired light-idee werd bedacht in een tijd dat de theorie van het uitdijende heelal niet zo alledaags was en was deels bedoeld om de mogelijkheid te onderzoeken dat Hubble's waarnemingen consistent zouden kunnen zijn met een statisch universum. Maar het idee werd later grotendeels weerlegd en uitgesloten ten gunste van het ΛCDM-model.
In dit artikel beweren de onderzoekers echter niet dat het universum statisch is. Ze zeggen dat de roodverschuiving van het licht van verre sterrenstelsels kan worden veroorzaakt door zowel de uitdijing van het universum als het vermoeide licht onder een specifieke reeks omstandigheden van hun hybride model.
Door deze modellen te combineren en de parameters voor ΛCDM aan te passen, krijgt u een cijfer dat de JWST-gegevens beter verklaart.
In wezen veranderen ze de kalibratie tussen roodverschuiving en de tijdsduur dat het licht heeft gereisd.
Dus in plaats van een roodverschuiving van 10, wat betekent dat het licht ongeveer 13 miljard jaar heeft gereisd nadat het werd uitgezonden door de oerknal toen het universum ongeveer 380 miljoen jaar oud was, suggereert het artikel dat het licht al 21 miljard jaar onderweg was en werd uitgezonden toen het universum ongeveer 5 miljard jaar oud was.
Gelooft iemand deze bewering?
Balasubramanian: Dit is het mooie van het wetenschappelijke proces; We maken onze beweringen openbaar en laten het aan de gemeenschap over om ze te weerleggen of te bevestigen.
De discussie is open en dat is wat we met dit artikel gaan zien. En de snelheid waarmee claims al dan niet worden gevalideerd, is recht evenredig met hoeveel mensen beslissen of de claim interessant genoeg is om aan te werken. Deze bewering is interessant, dus ik vermoed dat het debat vrij snel zal worden beslecht.
Devlin: Ongeacht al dit kosmologische gedoe, kun je letterlijk de leeftijd van rotsen op aarde en rotsen in ons zonnestelsel meten en de leeftijd van bolvormige sterrenhopen berekenen door naar hun fysieke partners te kijken, en er is niets dat in de buurt komt van zo oud.
Als er iets of iets in de buurt van 20 miljard jaar oud zou zijn, zouden we het nu hebben gezien, dus ik denk dat deze bewering waarschijnlijk niet veel meer stoom zal oppikken of dingen zal veranderen. Het probleem met dit werk is dat het knoeien met alles wat we weten over het universum vereist om dit nieuwe JWST-beeld een plaats te geven.
Twee dingen worden een probleem: de nieuwe 'fix' heeft niet al het bovenstaande aangetoond. En de gegevens zijn lang niet overtuigend genoeg om het te vereisen.
Over het algemeen vind ik het erg cool dat we deze overvloed aan gegevens hebben en dat onze telescopen ons in staat stellen om meer dan ooit tevoren te zien en nieuwe conclusies te trekken die ons begrip van het universum uitdagen.
(*) Zie https://nl.wikipedia.org/wiki/Ontstaan_en_evolutie_van_sterrenstelsels
(**) Zie https://nl.wikipedia.org/wiki/Kosmische_achtergrondstraling
