Decennia lang hebben natuurkundigen geworsteld met een fundamentele tegenstrijdigheid: twee verschillende methoden om de uitdijingssnelheid van het universum te meten leveren inconsistente resultaten op – een discrepantie die bekend staat als de ‘Hubble-spanning’. Nu stelt een team onderzoekers een nieuwe oplossing voor: het gebruik van zwaartekrachtgolven, rimpelingen in de ruimtetijd, om onafhankelijk de uitdijingssnelheid te bepalen, waardoor deze al lang bestaande puzzel mogelijk wordt opgelost.
De Hubble-spanning: een kernprobleem in de kosmologie
Sinds 1998 hebben waarnemingen bevestigd dat het universum niet alleen uitdijt, maar ook versnelt. Deze versnelling wordt toegeschreven aan ‘donkere energie’, hoewel de ware aard ervan onbekend blijft. Het kernprobleem ligt in de inconsistentie van de Hubble-constante, een kritische waarde die de expansiesnelheid definieert. Het meten van deze constante aan nabijgelegen supernova’s levert één resultaat op, terwijl berekeningen op basis van het vroege heelal – waarbij gebruik wordt gemaakt van het standaard kosmologische model – een ander resultaat opleveren. Dit conflict vereist een derde, onafhankelijke meting om te bevestigen welke waarde correct is.
Zwaartekrachtgolven als nieuw meetinstrument
De voorgestelde oplossing maakt gebruik van zwaartekrachtgolven, voorspeld door Einsteins algemene relativiteitstheorie. Deze golven worden gegenereerd door het versnellen van massieve objecten, zoals samensmeltende zwarte gaten en neutronensterren. Deze golven werden voor het eerst ontdekt in 2015 door het Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) en bieden nu een unieke kans om de uitdijing van het universum te onderzoeken.
De sleutel ligt in een methode die de stochastische sirenemethode wordt genoemd: in plaats van zich te concentreren op individuele samensmeltingen, analyseert deze het zwakke, continue ‘gezoem’ van zwaartekrachtsgolven van talloze verre botsingen – de zwaartekrachtsgolfachtergrond. De kracht van deze achtergrond houdt rechtstreeks verband met de constante van Hubble; een langzamere expansie betekent meer ruimte voor botsingen, waardoor het achtergrondsignaal verzwakt. Omgekeerd comprimeert een snellere uitzetting de ruimte, waardoor de achtergrond sterker wordt.
Waarom dit belangrijk is: onafhankelijke verificatie en toekomstig potentieel
Deze aanpak biedt een cruciaal voordeel: ze staat los van de methoden waar het momenteel niet mee eens is. Door zwaartekrachtgolfgegevens te combineren met traditionele elektromagnetische waarnemingen – een techniek die ‘multi-messenger astronomie’ wordt genoemd – kunnen wetenschappers resultaten vergelijken en bepalen of de Hubble-spanning een echte discrepantie of een systematische fout in bestaande metingen is.
“Dit zou de weg moeten vrijmaken voor de toepassing van deze methode in de toekomst, omdat we de gevoeligheid blijven verhogen, de zwaartekrachtgolfachtergrond beter kunnen beperken en deze misschien zelfs kunnen detecteren”, zegt onderzoeker Alex Cousins.
Hoewel de huidige detectoren het achtergrondsignaal nog niet hebben bevestigd, suggereren voorlopige analyses met behulp van bestaande LIGO-Virgo-KAGRA-gegevens een hogere expansiesnelheid, in lijn met de supernovametingen. Naarmate zwaartekrachtgolfdetectoren de komende zes jaar gevoeliger worden, belooft deze methode de meting van de Hubble-constante te verfijnen en ons dichter bij het oplossen van de Hubble-spanning te brengen. De ontwikkeling van dit nieuwe instrument vertegenwoordigt een aanzienlijke sprong voorwaarts in de kosmologie en biedt een uniek pad naar het begrijpen van de fundamentele aard van ons uitdijende universum.
