Zwaartekrachtsgolven hebben al tot tal van nieuw ontdekkingen geleid en lijken nu ook het mysterie omtrent de hubbleconstante op te gaan lossen.

Het universum dijt uit. En de hubbleconstante vertelt ons met welke snelheid dat gebeurt. Maar welke waarde die hubbleconstante precies heeft? Daar komen onderzoekers niet helemaal uit. De twee manieren die er zijn om de hubbleconstante (bij benadering) vast te stellen, geven namelijk beiden net iets andere snelheden (zie kader). Daarom is er eigenlijk een derde manier nodig om de snelheid waarmee het universum uitdijt, vast te stellen. En die hebben onderzoekers nu benut: zwaartekrachtsgolven.

Planck en supernovae
Tot voor kort waren er twee manieren om de hubbleconstante te bepalen. Allereerst kan men kijken naar de kosmische achtergrondstraling. Dit is eigenlijk niets anders dan licht dat stamt uit de tijd waarin het universum zo’n 380.000 jaar oud was. Terwijl het heelal uitdijde, werd ook dit licht steeds verder ‘uitgerekt’, waarna het afkoelde en ‘gevangen’ werd in het universum. Vandaag de dag strekt deze straling zich uit over het hele universum. Ruimteobservatorium Planck heeft deze kosmische achtergrondstraling uitgebreid bestudeerd en op basis van fluctuaties in deze kosmische achtergrondstraling heeft men vervolgens een schatting gemaakt van hoe snel het universum uitdijt. Daarnaast kunnen onderzoekers ook kijken naar supernovae van het type Ia: zware sterren die tot ontploffing komen. Deze exploderende sterren – ook wel aangeduid als ‘standaardkaarsen’ – hebben eigenlijk altijd dezelfde helderheid, dus dat betekent dat je de schijnbare helderheid van deze ontplofte sterren kunt gebruiken om de afstand tussen ons en deze sterren vrij nauwkeurig vast te stellen. Want: hoe minder helder de supernova is, hoe verder deze van ons verwijderd moet zijn. Daarnaast wordt er ook gekeken naar de roodverschuiving. Wanneer een object zich op grote afstand van ons vandaan beweegt, verschuift het spectrum van uitgezonden licht (of andere elektromagnetische straling) bij ontvangst naar ‘rood’, oftewel in de richting van de langere golflengtes. Door te kijken naar de kleur van het licht kunnen onderzoekers dan ook een schatting maken van hoe snel het object van ons vandaan beweegt, oftewel hoe snel het universum uitdijt. In een ideale wereld zouden de data van Planck en de metingen op basis van supernovae dezelfde waarde voor de hubbleconstante opleveren. Maar de werkelijkheid is anders; afgaand op de supernovae dijt het heelal sneller uit dan de data van Planck ons willen doen geloven.

Hoe werkt het?
Het idee dat zwaartekrachtsgolven meer duidelijkheid kunnen scheppen over de snelheid waarmee het universum uitdijt, is niet nieuw. In 1986 – jaren voor de eerste zwaartekrachtsgolven gedetecteerd werden – stelde onderzoeker Bernard Schutz het reeds voor. Maar pas in 2017, toen onderzoekers de zwaartekrachtsgolven van twee botsende neutronensterren detecteerden, werd het echt een optie. In tegenstelling tot botsende zwarte gaten – waarvan eerder al zwaartekrachtsgolven waren gedetecteerd – geven botsende neutronensterren behalve zwaartekrachtsgolven ook licht af. En om vast te stellen hoe snel het universum uitdijt, heb je twee dingen nodig: de snelheid waarmee een object zich van de aarde verwijdert én de afstand waarop het object staat. Voor de snelheid waarmee een object – in dit geval de botsende neutronensterren – zich van ons verwijdert, kijken onderzoekers naar de roodverschuiving van het licht dat de neutronensterren afgeven. De afstand tot het systeem kan vervolgens worden vastgesteld door te kijken naar de ‘vorm’ van de zwaartekrachtsgolven. De vorm van het signaal verraadt namelijk hoe groot de twee sterren waren en hoeveel energie er bij de botsing is vrijgekomen. Door dat te vergelijken met hoe krachtig de zwaartekrachtsgolven waren toen ze eenmaal op aarde arriveerden, kunnen de onderzoekers meer zeggen over de afstand tot de botsing.


Nieuwe schatting
Eerdere schattingen van de hubbleconstante op basis van zwaartekrachtsgolven en elektromagnetische straling afkomstig van de twee botsende neutronensterren kwamen uit op zo’n 74 kilometer per seconde per megaparsec. Wetenschappers borduren daar nu op voort en combineren de data waarop deze eerste schatting gebaseerd was met nieuwe radio-observaties van het systeem. Het resulteert in een nieuwe schatting van 70.3 km/(s·Mpc).

De discrepantie
De huidige meting is nog niet nauwkeurig genoeg om de discrepantie tussen de Planck-data en observaties van supernovae van het type Ia weg te nemen. Maar daar stevenen we wel op af. En snel ook als we de methode uit dit nieuwe paper benutten, zo stelt onderzoeker Kenta Hotokezaka. “De zwaartekrachtsgolf-signalen van neutronensterren die met elkaar botsen of de zwaartekrachtsgolf-signalen van een zwart gat dat met een neutronenster botst, zullen deze discrepantie zonder radiobeelden nadat we nog zo’n 50 tot 100 van deze botsingen hebben waargenomen, opheffen. Onze aanpak, waarbij we zwaartekrachtsgolf-signalen en radiobeelden gebruiken, zal dat mogelijk na zo’n 15 botsingen al doen.”

Kosmische afstandsladder
Dat zwaartekrachtsgolven uiteindelijk de snelheid waarmee het universum uitdijt, zullen onthullen, lijkt inmiddels wel vast te staan. Het gebruik van zwaartekrachtsgolven heeft namelijk nogal wat voordelen ten opzichte van de andere methoden die er zijn om de snelheid waarmee het universum uitdijt, vast te stellen. “De huidige manieren om de hubbleconstante vast te stellen zijn allemaal òf afhankelijk van een bepaald kosmologisch model òf van de kosmische afstandsladder (zie kader, red.),” legt Kenta aan Scientias.nl uit. “Er zijn verschillende hypotheses die kunnen verklaren waarom de metingen uiteenlopen. Ten eerste kan er een significante fout zitten in de kosmische afstandsladder. Ten tweede kan het zijn dat ons huidige begrip van de kosmologie niet helemaal klopt. Omdat onze aanpak niet bouwt op een kosmologisch model, noch op een kosmische afstandsladder, zal deze aanpak de discrepantie tussen Planck en de supernovae-metingen in de nabije toekomst hopelijk op kunnen lossen.”

De term ‘kosmische afstandsladder’ verwijst naar een opeenvolging van methoden die nodig zijn om de afstand tot bepaalde objecten vast te kunnen stellen. Elke ‘trede’ op deze ladder staat voor een andere meettechniek, waarbij de tweede trede voortbouwt op resultaten van de eerste trede en de derde van de resultaten van de eerste en tweede trede, etc. Het maakt de berekeningen – zeker naarmate je hoger op de ladder komt – onzekerder, aangezien er op zoveel plaatsen in de berekening foutjes in kunnen sluipen. Afbeelding: Matt Perko.

Het moge duidelijk zijn dat het vaststellen van de snelheid waarmee het universum uitdijt, niet gemakkelijk is. Maar belangrijk is het wel, zo vertelt Kenta. “De snelheid waarmee het universum uitdijt is één van de meest fundamentele onderdelen van kosmologische modellen. Het bepalen van deze snelheid verbetert dan ook de kosmologische modellen en kan ons mogelijk zelfs op het spoor brengen van nieuwe natuurkundige verschijnselen.”