De resultaten zijn vergelijkbaar met die van de Planck-satelliet. En dat zet de betrouwbaarheid van de metingen steviger in de schoenen.

Hoe oud is het heelal? Het is een vraag waar menig astronoom zich het hoofd over breekt. Onderzoekers leken er maar niet in te slagen om de resultaten over de ouderdom van het universum én de snelheid waarmee het heelal uitdijt via verschillende meetmethodes met elkaar te verzoenen. In een nieuwe studie hebben onderzoeker daarom de hulp ingeschakeld van de Atacama Cosmology Telescope (ACT); een zes meter grote telescoop op Cerro Toco in de Atacama-woestijn in het noorden van Chili. En dat leidt tot een zeer nauwkeurige nieuwe schatting van de leeftijd van ons universum.

Licht
Hoe wetenschappers de leeftijd van het heelal meten? Dat doen ze door te schatten hoe ver licht van de kosmische achtergrondstraling (de warmtestraling die is uitgezonden kort na de oerknal) heeft gereisd om de aarde te bereiken. Dit is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan. Kosmische afstanden tot de aarde inschatten is namelijk erg ingewikkeld. Dus in plaats daarvan meten wetenschappers de hoek aan de hemel tussen twee objecten, waarbij de aarde en de twee objecten een kosmische driehoek vormen. Als wetenschappers tevens de fysieke afstand tussen die objecten weten, kunnen ze ook de afstand van de objecten tot de aarde schatten.

Leeftijd
Met behulp van de ACT hebben onderzoekers een frisse blik kunnen werpen op het oudste licht in het universum (de kosmische achtergrondstraling). “Met behulp van ACT hebben we nu hele nauwkeurige beelden kunnen vervaardigen van ons jonge universum,” legt onderzoeker Steve Choi in een interview met Scientias.nl uit. “Deze afbeeldingen geven ons een schat aan informatie over het vroege universum, inclusief waaruit het bestaat en hoe het evolueerde tot wat we vandaag de dag zien. Door het patroon in de afbeeldingen zorgvuldig te bestuderen, kunnen we verschillende kenmerken van het heelal bepalen, waaronder de leeftijd.” De waarnemingen met ACT hebben dus geleid tot een prachtige nieuwe schatting van de leeftijd van het heelal. De waarnemingen suggereren dat het heelal zo’n 13,77 miljard kaarsjes op de verjaardagstaart mag uitblazen, plus of min 40 miljoen jaar. Deze schatting komt overeen met metingen van hetzelfde licht uitgevoerd door de Planck-satelliet.

Een deel van de nieuwe afbeelding van het oudste licht in het heelal, gemaakt door de Atacama Cosmology Telescope. De foto beslaat een gebied van 20 miljard lichtjaar in de ruimte. Het licht, dat slechts 380.000 jaar na de oerknal wordt uitgezonden, varieert in polarisatie (hier weergegeven door rodere of blauwere kleuren). Astrofysici gebruikten de afstand tussen deze variaties om een nieuwe schatting voor de leeftijd van het universum te berekenen. Afbeelding: ACT Collaboration

Met de nieuwe metingen hebben de onderzoekers de nauwkeurigste metingen van de ouderdom van het heelal tot nu toe in handen. “We dachten al een tijdje dat de leeftijd van het universum ongeveer 13 – 14 miljard jaar is,” vertelt Choi. “Maar de belangrijkste prestatie hier is hoe nauwkeurig (met een onzekerheidsmarge van 40 miljoen jaar) we het hebben kunnen bepalen. In die zin is het heel verrassend dat we nu precies de ouderdom van het heelal hebben kunnen achterhalen met behulp van waarnemingen met onze telescopen.”

Verwarrend
En die precieze metingen zijn essentieel. Tot nu toe slaagden onderzoekers er namelijk maar niet in om de resultaten van verschillende meetmethodes met elkaar te verzoenen. In 2019 berekende een onderzoeksteam namelijk dat het universum honderden miljoenen jaren jonger was dan de Planck-satelliet voorspelde. “Wat verwarrend is, is dat metingen van de leeftijd van het universum kleine foutmarges hebben,” legt onderzoeker Simone Aiola aan Scientias.nl uit. “Verschillende kosmologische sondes hebben enigszins inconsistente resultaten opgeleverd.” Maar nu lijken in ieder geval Planck en de ACT het met elkaar eens te zijn. “Het laat zien dat deze moeilijke metingen betrouwbaar zijn,” aldus Aiola.

Belangrijk
Volgens de onderzoekers is het erg belangrijk om meer inzicht te krijgen in de leeftijd van het heelal. “Ik vind het persoonlijk heel belangrijk dat we het universum waarin we leven, kennen,” stelt Aiola. “Weten hoe het is samengesteld en hoe het evolueert zijn vragen die de menselijke geest nou eenmaal intrigeren.” Maar dat niet alleen. De huidige studie geeft namelijk ook een nieuwe draai aan een lopend debat in de astrofysische gemeenschap. “De ouderdom van het universum, de hubbleconstante en de snelheid waarmee het universum uitdijt zijn onderwerpen waarover recentelijk gedebatteerd is vanwege de discrepantie tussen metingen van de kosmische achtergrondstraling versus de metingen van het plaatselijke universum van cepheïden (pulserende sterren) en supernova’s,” voegt Choi toe.

Discrepantie; hoe zat het ook al weer?
Ondertussen weten we dat het begin van het heelal gekenmerkt wordt door de oerknal. Vrijwel direct na de oerknal was er sprake van een exponentiële uitdijing van het heelal. In zeer korte tijd werd het heelal zeker quintiljoenen keren groter. In de periode daarna vertraagde de uitdijing, om vervolgens weer te versnellen. En nog altijd dijt het heelal versneld uit. De hubbleconstante is de kosmologische parameter die de absolute schaal, grootte en leeftijd van het universum bepaalt. Het is een van de meest directe manieren om erachter te komen hoe het universum evolueert. De twee gangbare manieren om de hubbleconstante te meten is door cepheïden (pulserende sterren) en supernova’s waar te nemen en door metingen te verrichten van kosmische achtergrondstraling uit het vroege universum. Deze twee methoden geven echter niet dezelfde waarden. Zo blijkt dat het universum met 74 kilometer per seconde per megaparsec uitdijt als we de hubbleconstante door middel van cepheïden en supernova’s meten. Kijken we echter naar de data van Planck over de kosmische achtergrondstraling, dan blijkt dat ons universum uitdijt met een snelheid van 67,4 kilometer per seconde per megaparsec (één parsec komt overeen met een afstand van 3,26 lichtjaar).

Momenteel breken onderzoekers zich nog steeds het hoofd over hoe ze de discrepantie tussen de metingen van cepheïden en de kosmische achtergrondstraling kunnen oplossen. Maar de resultaten van ACT lichten nu een belangrijk tipje van de sluier op. De ACT-metingen suggereren namelijk dat het universum uitdijt met 67,6 kilometer per seconde per megaparsec. En dat komt zoals je ziet bijna precies overeen met de eerdere schatting van 67,4 kilometer per seconde per megaparsec afgeleid van data van Planck.

Consistent verhaal
“De onafhankelijke meting met ACT is het met Planck eens en suggereert dus een consistent verhaal over de kosmische achtergrondstraling,” zegt Choi. “Er bestaat echter een verschil met wat andere astronomen afleiden uit metingen van supernovae. De kosmische achtergrondstraling is het oudste licht dat we kunnen zien vanuit het vroege universum, terwijl de supernovae veel dichterbij staan in afstand en tijd. Omdat deze twee metingen niet met elkaar stroken, zou het kunnen betekenen dat één van de metingen niet klopt, of – in een spannender geval – dat er iets ontbreekt in ons begrip over het standaardmodel (een serie voorspellingen gebaseerd op de natuurkundige processen die we doorgronden, red.).” Mogelijk is er dus sprake van ‘nieuwe fysica’ die ons huidige begrip van ons universum ver te boven gaat.

Inzicht
Dat twee onafhankelijke meetmethodes – ACT en Plank-satelliet – nu op ongeveer dezelfde snelheid uitkomen, lijkt te betekenen dat het meten van de hubbleconstante door middel van de kosmische achtergrondstraling, klopt. “Planck en ACT verrichten onafhankelijk van elkaar metingen van de hemel, wat vervolgens resulteert in consistente resultaten,” stelt Aiola. “Dit bevestigt de robuustheid van beide metingen.” De beide resultaten komen echter niet overeen met de leeftijd van het heelal zoals die afgeleid wordt uit de snelheden waarmee verre sterrenstelsels zich van ons verwijderen. En dus zullen onderzoekers hun zoektocht naar de oorzaak van deze discrepantie voortzetten. Nu zal moeten blijken of ook een uitdijing van 74 kilometer per seconde per megaparsec – zoals berekend als onderzoekers de hubbleconstante door middel van cepheïden en supernova’s meten – op een andere manier bevestigd kan worden. “Als ook de supernova-metingen zich staande weten te houden, zijn we mogelijk op weg naar een nieuwe ontdekking in de moderne kosmologie,” aldus Choi.

Maar zover zijn we nu nog niet. Allereerst is het al mooi dat we nu nog nauwkeurigere gegevens van ACT in handen hebben over de leeftijd en uitdijing van het universum. “We zullen deze actief blijven analyseren,” zegt Choi. “Bovendien bouwen we nu ook aan de volgende generatie telescopen zoals Simons Observatory en de Fred Young Submillimeter Telescope. Hiermee zullen we proberen om nog nauwkeurigere metingen van het heelal te verrichten.”