Meer dan tien jaar geleden, toen ze de temperatuur van het heelal opnamen, ontdekten astronomen iets vreemds. Ze ontdekten dat een stuk hemel, zo breed als 20 manen, ongewoon koud was.
De astronomen maten de microgolfstraling die het hele heelal omspoelt, een gloeiend overblijfsel van de oerknal. Als je naar deze achtergrondstraling kijkt, zie je een glimp van het oeruniversum, een tijd waarin het nog geen 400.000 jaar oud was.
Wat nu naar voren komt als de tophypothese is een kosmische supervaag.
De achtergrondstraling dekt de hele hemel en ziet er overal ongeveer hetzelfde uit, smeulend bij een ijskoude temperatuur van 2,725 kelvin – slechts een paar graden warmer dan het absolute nulpunt. Maar gewapend met de pas gelanceerde WMAP-satelliet hadden de astronomen zich tot doel gesteld om temperatuurvariaties te meten die maar één op de 100.000 keer zo klein waren. Deze willekeurige schommelingen, die zijn ontstaan uit het kwantumschuim dat het heelal een half moment na de oerknal vormde, helpen wetenschappers te begrijpen waar de kosmos van is gemaakt en hoe het allemaal is ontstaan.
En te midden van deze schommelingen viel een koude plek op. In de loop der jaren hebben astronomen allerlei ideeën bedacht om dit te verklaren, variërend van instrumentele fouten tot parallelle universa. Maar nu hebben ze een hoofdverdachte gevonden: een enorme holte van leegte, een kosmische supervide genaamd, zo groot dat het de grootste structuur in het heelal zou kunnen zijn. Volgens de theorie kan zo’n enorme leegte, waarin geen ster of sterrenstelsel bestaat, een ijskoude afdruk achterlaten op de CMB. Het antwoord op het mysterie zou dus wel eens een heleboel niets kunnen zijn. Toch blijven er puzzels bestaan, en de zaak is nog lang niet gesloten.
Hoe maak je een koude vlek
De koude vlek is niet het enige vreemde ding in de CMB. Wetenschappers hebben verschillende andere van dergelijke anomalieën gevonden – de signalen van de helft van de hemel lijken bijvoorbeeld iets sterker dan die van de andere helft. De standaardtheorie van de kosmologie, die anders profetisch is geweest in het voorspellen van de details van de CMB, kan deze eigenaardigheden, waarvan de koude plek een van de meest prominente is, niet volledig verklaren.
Een echt grote zou kunnen werken als een soort vervormende lens
De eenvoudigste verklaring voor de anomalieën is dat het toevalstreffers zijn, artefacten van het toeval tussen de willekeurige temperatuurschommelingen van de CMB. Als je honderd keer een munt opgooit, is er altijd een kans dat je 20, 30, of zelfs 50 keer achter elkaar kop hebt. De uitdaging voor wetenschappers is om uit te zoeken of die anomalieën te wijten zijn aan geluk of aan een gewogen muntstuk. Wat de koude plek betreft, blijkt uit de gegevens dat de kans dat het een toevalstreffer is, één op 200 is. Niet onmogelijk, maar ook niet waarschijnlijk.
Sommige wetenschappers hadden gesuggereerd dat de koude vlek te wijten was aan een instrumentele fout of aan de manier waarop de gegevens waren geanalyseerd. Maar in 2013 bevestigden nieuwe waarnemingen van de Planck-satelliet eerdere waarnemingen van de koude vlek. En dat vroeg om een verklaring.
Wat nu naar voren komt als de tophypothese is een kosmische supervacuüm. Al het materiaal in de kosmos – sterrenstelsels en onzichtbare donkere materie – strekt zich uit over de ruimte in een enorm web van vellen, ranken en filamenten. Daartussen bevinden zich lege plekken, leegtes genaamd, die er in vele vormen en maten zijn. Een echt grote leegte kan als een soort vervormende lens fungeren, waardoor de CMB koeler lijkt dan hij in werkelijkheid is.
Terwijl een foton zich in een leegte voortbeweegt, blijft het heelal steeds sneller uitdijen.
De reden hiervoor is deze: Wanneer licht door een leegte reist, verliest het energie en neemt zijn frequentie af. Het verschuift naar de lagere, rodere kant van het spectrum. Zoals de meeste dingen is licht onderhevig aan de invloed van de zwaartekracht, die op fotonen kan inwerken tijdens hun reis. In een leegte echter, is er door de afwezigheid van materie nauwelijks zwaartekracht die het licht kan beïnvloeden. Voor een foton is vliegen door een leegte als klimmen over een heuvel. En klimmen kost energie. Maar het foton kan die energie terugkrijgen. Zodra het de leegte verlaat, wordt het weer omringd door materie, en de gravitatie-invloed is voldoende om er aan te trekken, en het te injecteren met de energie die het verloren had.
Voor een foton om energie te verliezen, heb je de versnelde uitdijing van het heelal nodig. Terwijl een foton zich voortbeweegt in een leegte, blijft het heelal sneller en sneller uitdijen. Tegen de tijd dat het foton de leegte verlaat, ontdekt het dat – dankzij deze kosmische uitrekking – alle materie zich heeft verspreid. Omdat de materie nu wijder verspreid is, is zijn zwaartekrachteffect niet zo sterk. Het kan niet meer met dezelfde kracht aan het foton trekken als voorheen, en het foton kan niet meer de energie terugkrijgen die het ooit had.
Er zou een leegte kunnen zijn op minder dan 3 miljard lichtjaar
Fysici hebben dit verschijnsel al aan het eind van de jaren zestig van de vorige eeuw uitgedokterd, maar niemand had het ooit echt waargenomen. Maar nadat de koude vlek was ontdekt, gingen astronomen zoals Istvan Szapudi van de universiteit van Hawaï op zoek naar bewijs voor dit gedrag, dat het geïntegreerde Sachs-Wolfe-effect (ISW) wordt genoemd. In 2008 vond hij het.
De verbazingwekkende supervaag
Szapudi kon geen individuele leegtes identificeren die afdrukken achterlaten op de CMB – hij had de gegevens niet om dat te doen. In plaats daarvan zochten hij en zijn team naar een algemeen ISW-effect in een statistische analyse van 100 leemtes en clusters van melkwegstelsels, waarvan de zwaartekracht een opwarmend effect veroorzaakt en hete plekken achterlaat in de CMB. De onderzoekers vonden een echt ISW-effect, waarbij de temperatuur van de CMB met gemiddeld ongeveer 10 miljoenste kelvin, of 10 microkelvin, veranderde.
In vergelijking met de koude plek, die ongeveer 70 microkelvin koeler is dan het gemiddelde van de CMB, is het effect klein. Maar het punt was om aan te tonen dat leemtes koude plekken kunnen creëren. Als een leegte groot genoeg zou zijn, zou hij de koude plek kunnen creëren. “Als deze koude plek de grootste anomalie in de CMB is, zou dat heel goed een teken kunnen zijn van een enorme leegte – een heel zeldzame leegte in het heelal,” zegt Szapudi. “Dus ik dacht dat we daar nu naar moesten zoeken.”
De leegte is enorm. Hij heeft een straal van 220 megaparsec
De eerste poging, in 2010, leverde niets op. Maar de gegevens waren beperkt: ze bestreken slechts een paar punten binnen de plek. Intrigerend genoeg toonden de resultaten ook aan dat er zich op minder dan 3 miljard lichtjaar afstand een leegte zou kunnen bevinden.
Vorig jaar hebben hij en zijn team het opnieuw geprobeerd, dit keer met veel meer gegevens, die meer dan 200 keer zoveel hemel bestreken en de hele koude vlek omvatten. Met zo veel meer dekking – bestaande uit duizenden sterrenstelsels – werden de eerdere aanwijzingen een echte leegte. De gegevens waren eenduidig. “We zijn er absoluut zeker van dat er een leegte is,’ zegt Szapudi. “Ik zou mijn huis erom verwedden.”
En de leegte is enorm. Hij heeft een straal van 220 megaparsec, meer dan 700 miljoen lichtjaar, en is daarmee een van de grootste – zo niet de grootste – fysieke structuren in het heelal.
Zo’n grote leegte is ongewoon, er bestaan er misschien maar een handvol, zegt Szapudi. Dat zo’n zeldzame leegte de koude plek overlapt – ook al zo’n zeldzaamheid – lijkt te onwaarschijnlijk om louter toeval te zijn. Wat waarschijnlijker is, zegt hij, is dat de leegte de oorzaak is van de koude plek. Volgens zijn berekeningen is dat scenario 20.000 keer waarschijnlijker dan wanneer de twee objecten toevallig op één lijn zouden staan.
Anderen zijn daar nog niet zo zeker van. Voor astronomen zoals Patricio Vielva van de Universiteit van Cantabria in Spanje, die de ontdekking van de koude vlek in 2004 leidde, is de zeldzaamheid van de leegte nog steeds in twijfel getrokken. Als blijkt dat dergelijke leemtes op grotere schaal voorkomen, dan zou deze samenstand niet zo opmerkelijk zijn. Misschien is het gewoon toeval. Daarom hebben onderzoekers meer gegevens nodig om te peilen hoe zeldzaam deze supervides zijn. “Op dit moment denk ik dat dit een van de belangrijkste dingen is om vast te stellen,” zegt Vielva.
Niet koud genoeg
Maar er is een groter probleem.
De supervaag kan de CMB niet koud genoeg krijgen. Een supervaag van deze grootte kan de CMB maar 20 microkelvin afkoelen. De koude plek is echter gemiddeld 70 microkelvin kouder. Op sommige punten is de temperatuurdaling 140 microkelvin.
Een mogelijke reden achter de discrepantie is dat de leegte in werkelijkheid groter is dan gemeten. Als dat zo is, zou het ISW-effect sterker zijn. Gezien de onzekerheden van Szapudi’s metingen zou de straal van de leegte wel 270 megaparsec kunnen zijn. Toch, zegt Vielva, is zelfs dat niet groot genoeg om de koude plek te verklaren.
In feite is het heelal volgens de huidige theorieën van de kosmologie misschien niet eens in staat om een leegte te vormen die groot genoeg is. “
Meer waarnemingen zullen astronomen in staat stellen nauwkeurigere metingen te doen van de grootte en de eigenschappen van de supervacuüm
Maar als het geen vacuüm is, wat dan wel? Misschien, zegt Vielva, is de koude plek te wijten aan een kosmologische textuur, een defect in het heelal naar analogie van de barsten of vlekken die in ijs worden aangetroffen. Toen het heelal zich ontwikkelde, onderging het een faseovergang die vergelijkbaar is met wat er gebeurt als water bevriest en van vloeibaar in vast verandert. In ijs krijg je defecten als de watermoleculen niet op één lijn liggen. In het heelal zou je texturen kunnen krijgen. In 2007 heeft Vielva helpen aantonen dat als er een textuur bestaat, die via het ISW-effect de koude plek zou kunnen creëren.
Texturen zijn echter speculatief, en niemand heeft enig bewijs gezien dat ze bestaan. “Texturen zijn een leuk idee, maar we hebben geen idee of deze dingen realistisch zijn of niet,” zegt Rien van de Weijgaert, een astronoom aan de Universiteit van Groningen in Nederland.
Voor de meeste astronomen, zegt van de Weijgaert, lijkt een supervacuïde nog steeds de beste verklaring. “Het wordt nu beschouwd als een van de meest geloofwaardige opties,” zegt hij. “Het is de grootte van het effect waar je vraagtekens bij kunt zetten, maar het is niet ongeloofwaardig.”
Om zeker te zijn, de leegte-hypothese is zeker intrigerend, zegt Vielva. Maar het temperatuurverschil moet eerst worden opgelost.
We weten gewoon nog niet hoe het afloopt. Ik denk dat niemand het weet.
Meer gegevens zou helpen. Met meer waarnemingen kunnen astronomen bijvoorbeeld nauwkeurigere metingen doen van de grootte en de eigenschappen van de supervacuïde. Ze zouden ook kunnen onthullen of er een kleinere leegte op de voorgrond is, die de CMB zou kunnen helpen afkoelen. Misschien is de koude plek zo koud omdat de supervaag toevallig ook voor een gebied van de CMB ligt dat al een beetje kouder is dan normaal.
Ook al kloppen de cijfers nu niet, het is geen reden om je zorgen te maken. “Op dit moment zijn de onzekerheden zo groot, dat je er niet wakker van hoeft te liggen,” zegt Carlos Frenk, een astrofysicus aan de universiteit van Durham in het Verenigd Koninkrijk. Zijn voorgevoel zegt dat met meer gegevens en analyses, de supervaag als het juiste antwoord naar voren zal komen. “
Als dat zo is, dan is de koude vlek de eerste meting van een object – een supervaag – dat via het ISW-effect een afdruk achterlaat op de CMB. Dat is belangrijk, deels omdat de supervaag zo groot is. De supervaag kan ook op een andere manier belangrijk zijn: “We hebben nog een manier om donkere energie te bestuderen, wat het vreemdste in het heelal is,” zegt Szapudi.
Het ISW-effect werkt alleen omdat het heelal steeds sneller uitdijt, en de mysterieuze kracht die de kosmos uit elkaar duwt, is donkere energie. Door het ISW-effect van de supervide te meten, kunnen onderzoekers de invloed van donkere energie onderzoeken – en beter begrijpen hoe die zich gedraagt en wat het is.