Natuurkundigen hebben een potentieel baanbrekende methode geïdentificeerd voor het meten van de uitdijingssnelheid van het universum, een al lang bestaande kosmologische puzzel, waarbij gebruik wordt gemaakt van de subtiele rimpelingen in de ruimtetijd die bekend staan als zwaartekrachtgolven. De nieuwe aanpak maakt gebruik van het collectieve signaal van talloze samensmeltende zwarte gaten in de kosmos – een zwak ‘gezoem’ van de zwaartekracht – om onafhankelijk te beoordelen hoe snel de ruimte zich uitbreidt. Zelfs zonder deze achtergrond direct te detecteren, hebben onderzoekers de huidige gegevens al gebruikt om de beperkingen van de Hubble-constante te verfijnen, de waarde die de uitdijingssnelheid van het universum vertegenwoordigt.
De Hubble-spanning: een kernprobleem in de kosmologie
De uitdijingssnelheid van het heelal is een fundamentele grootheid, maar de precieze waarde ervan is een belangrijk twistpunt geworden. Metingen die zijn afgeleid van waarnemingen in het vroege heelal (zoals de kosmische microgolfachtergrond en de nagloed van de oerknal) zijn het systematisch oneens met die van nabije objecten (zoals supernova’s). Deze discrepantie, ook wel de Hubble-spanning genoemd, is statistisch significant en duidt op ongeïdentificeerde fouten in bestaande methoden of op de noodzaak van fundamenteel nieuwe natuurkunde.
Zoals Yale-fysicus Chiara Mingarelli uitlegt: “Metingen van de expansiesnelheid in het vroege en late universum verschillen met meer dan 5 sigma… Er is óf sprake van een ongeïdentificeerde systematische fout, óf van nieuwe natuurkunde.” Het onvermogen om deze waarden met elkaar te verzoenen roept kritische vragen op over ons begrip van donkere energie, donkere materie en de algehele structuur van het universum.
Het gebruik van fusies van zwarte gaten als kosmische heersers
De nieuwe studie, geaccepteerd voor publicatie in Physical Review Letters, stelt een nieuwe methode voor die volledig op zwaartekrachtgolven is gebaseerd. Sinds 2015 hebben observatoria als LIGO en Virgo tientallen samensmeltingen van zwarte gaten gedetecteerd, waarbij elke gebeurtenis informatie opleverde over de massa’s en afstanden van de botsende lichamen. Door de snelheden te analyseren waarmee deze samensmeltingen in het hele universum plaatsvinden, kunnen wetenschappers eigenschappen van de zwaartekrachtgolfachtergrond afleiden – het gecombineerde signaal van gebeurtenissen die te ver van de wereld verwijderd zijn om afzonderlijk op te lossen.
Volgens hoofdauteur Bryce Cousins: “Omdat we individuele botsingen met zwarte gaten waarnemen, kunnen we de snelheid van die botsingen in het hele universum bepalen.” De algehele sterkte van dit achtergrondsignaal hangt rechtstreeks af van de expansiesnelheid; langzamere expansie impliceert grotere volumes en meer fusies, wat resulteert in een sterkere achtergrond.
Implicaties en toekomstperspectieven
Het onderzoeksteam heeft aangetoond dat de huidige niet-detectie van de zwaartekrachtgolfachtergrond al bepaalde lagere waarden voor de Hubble-constante uitsluit. Hoewel de huidige beperkingen nog steeds breed zijn, creëert deze methode een nieuw, onafhankelijk raamwerk voor kosmologische gevolgtrekkingen. Deze aanpak vormt een aanvulling op de bestaande “standaard sirene” -technieken (waarbij individuele zwaartekrachtsgolfgebeurtenissen als afstandsmarkeringen worden gebruikt) door de gehele onopgeloste populatie van botsingen met zwarte gaten te exploiteren.
Professor Daniel Holz van de Universiteit van Chicago benadrukt het belang: “Het gebeurt niet elke dag dat je met een geheel nieuw instrument voor de kosmologie komt.” Geplande upgrades van zwaartekrachtgolfdetectoren moeten binnen een paar jaar directe detectie van de achtergrond mogelijk maken, waardoor dit van een ondergrens in een nauwkeurige meting wordt omgezet.
Uiteindelijk zou deze stochastische sirenemethode een krachtig nieuw instrument kunnen worden om de expansiegeschiedenis van het universum te onderzoeken en te bepalen of de Hubble-spanning een fundamentele fout in onze modellen vertegenwoordigt of slechts verborgen systematische fouten.
Deze nieuwe techniek biedt een essentiële onafhankelijke controle op bestaande kosmologische metingen en kan uiteindelijk helpen een van de meest urgente mysteries in de moderne natuurkunde op te lossen.
