Nieuwe metingen bevestigen dat het universum saai is

Als bewoners van de aarde krijgen we niet veel zicht op het universum. Voor ons is het universum raar (of nieuwig) vanuit iedere hoek. Wanneer we zouden reizen van bestemming naar bestemming binnen onze ver rijkende dromen van interstellaire ruimeontdekkingen zou ieder punt weer heel anders van aard zijn. Zelfs als we op dezelfde plek zouden blijven en simpelweg naar verschillende richtingen zouden kijken, zou iedere blik weer iets anders opleveren.

Dat is onze intuïtie over ruimte - dat het zo groot en zo ongelofelijk is dat het eigenlijk onweet- en onmeetbaar is. Maar dat klopt niet helemaal wanneer dat toegepast wordt op het universum als geheel. Het universum, zoals bewijs suggereert, is een vrij saaie plek.

Op de schaal van het universum worden er twee eigenschappen behouden, namelijk homogeniteit en isotropie. De eerste betekent dat het universum ongeveer hetzelfde is op ieder punt. Isotropie betekent dat wanneer we verschillende kanten opkijken vanuit welk punt dan ook dat we ongeveer hetzelfde zouden zien. Geen speciale plekken en geen speciale richtingen.

Het bestaan is duidelijk niet speciaal op kosmologische schaal. En dit gebrek van speciaal zijn is iets dat onderworpen wordt aan regelmatige experimentatie en observatie. De meest recente resultaten komen van Jeremy Darling van de Univerity of Colorado. Hij kwam er achter dat alles in alles inderdaad naar buiten vliegt in de True Void (geen technische benaming) met een verbazingwekkend isotropische uniformiteit.

Deze eigenschappen werden voorgesteld door Einstein, of eerder door zijn vergelijkingen. Toen ze later correct werden opgelost door de wiskundige Alexander Friedmann kon het niet anders zijn dan dat het universum uitdijt. Einstein's oplossing voor een universum dat niet in elkaar stort was een draak die de kosmologische constante wordt genoemd: een aantal cijfers die ons behoeden van totale vernietiging.

Toen alles duidelijk was, met een beetje hulp van Edwin Hubble's roodverschuiving observaties, bleken die cijfers te corresponderen met de veldenergie die benodigd is om het universum stabiel te houden - en stabiliteit in de cosmos staat gelijk aan uitdijing. Een statisch universum is er een die in elkaar stort. Een belangrijk resultaat van dit alles is, los van Einstein, is het gegeven dat het universum homogeen en isotroop moet zijn: oftewel saai.

Of dit nu echt "saai" is of niet is een kwestie van perspectief. Isotropie en homogeniteit zijn statistische concepten die betrekking hebben op het hele universum en er gemiddelde over opleveren. In een isotroop universum zijn melkwegen en andere grote kosmische structuren niet evenredig verdeeld over de ruimte. Het tegenovergestelde is in feite het geval: melkwegen zijn op heel bijzondere manieren bijeen geklonterd.

Maar we kunnen ons nog verder verplaatsen dan melkwegen en melkwegclusters: tot het punt waar er echt geen grotere structuur meer mogelijk is. Op deze schaal zien we dat het universum de contrasten verliest en een grote vlek met materie wordt. Die vlek is gelijk verdeeld in een isotroop universum. Er is geen centrum en er zijn geen echte "regio's." Het is maar een druppel van de realiteit die zich verspreidt in de Real Void.

Alles in de kosmologie is tegenwoordig een beetje vreemd door quantum fysica. Mede dankzij de effecten van donkere materie en energie en de inflatietheorie. Maar het principe zou overeind moet blijven, althans in principe.

Er zijn echter theorieën die alternatieve noties van donkere materie omvatten. Wanneer donkere energie zich niet isotroop verspreidt zou je verwachten dat het universum zich op verschillende plekken sneller of langzamer uitbreidt, en dit zou zeker weer gevolgen hebben op universele saaiheid. Sommige delen van de kosmos zouden sneller en harder uit elkaar getrokken worden dan andere delen, dit zou anisotropische resultaten opleveren.

Maar het tegenstrijdige is dat wanneer er vaststellingen gemaakt worden over de homogeniteit en isotropie van het universum ons dit aanwijzingen zou moeten opleveren over wat de fok er aan de hand is met donkere energie: de grote kosmische onbekende die alle accelerende expansie überhaupt aandrijft. (Waarschijnlijk.) Wanneer er dan onregelmatigheid wordt gevonden in de ruimte zou dit nieuwe feiten over donkere energie opleveren. Aangezien een isotroop en homogeen universum simpele saaiheid suggereert over het "lichte" universum suggereert het datzelfde over donkere energie.

Darling's nieuwe data komt voort uit observaties van 429 objecten van de Very Long Baseline Array. Dit is een serie van 10 radio-observatieplekken die door de Verenigde Staten verspreid zijn, maar ook op Hawaii en de Virgin Islands te vinden zijn. De missie van de Array is om met grote precisie beweging te observeren in sterrenlichamen. En dat is nodig om dit soort metingen mogelijk te maken.

Darling vond isotropie "tot 7 procent" door gebruik te maken van zijn verzameling objecten. Dit elimineert modellen waarin donkere energie zich in gebroken symmetriën bevind. Gebroken symmetrie is een dicht concept onder dichte concepten, maar Darling legt het goed uit.

"In plaats van te denken aan verdelingen van donkere energie, denk je over donkere energie als een eigenschap van natuur of ruimte," zei hij via de e-mail. "Sommige aspecten van de natuur zijn mooi en symmetrisch. Vloeibaar water bijvoorbeeld. Het heeft geen richtingsvoorkeur. Maar wanneer je het water bevriest en er kristallen vormen, breekt de symmetrie en heeft het wel richtingsvoorkeur."

"De simpelste vorm van [donkere energie] heeft symmetrie," ging hij door. "Het heeft geen voorkeur qua richting, dus de acceleratie uitbreiding van het universum, de acceleratie die wordt veroorzaakt door donkere energie, is isotroop. Waar donkere energie een gebroken symmetrie laat zien, kan de  acceleratie de uitbreiding meer in de ene richting dan de andere sturen, waardoor het an-isotropisch expansie veroorzaakt."

Dus Darling's bevestiging van isotropie, tot 7 procent, betekent hetzelfde voor donkere energie als voor symmetrie. Maar hij waarschuwt dat sommige modellen voor donkere energie kleine gebroken symmetrieën bevatten, klein genoeg om onder de huidige marge van 7 procent te duiken.

De volgende taak is om dat percentage verder naar benenden te krijgen en daarmee meer gebroken symmetrie-mogelijkheden uit te sluiten en meer bewijs aan te dragen voor het oude Kosmologische Principe. Dit zal bereikt worden door de Gaia missie, een ESA-project dat de Melkweg in kaart zal brengen in 3D met het hoogste niveau van precisie dat ooit is bereikt, waarbij de bewegingen van ongeveeer 500.000 quasars zal vastgelegd worden. Volgens Darling's paper zou daarmee universele isotropie tot 1 procent nauwkeurigheid moeten kunnen vaststellen.