De vorm van het heelal is symmetrisch en de samenstelling homogeen, althans dat was decennialang een van de belangrijkste aannames in de kosmologie. Maar wat als die basisgedachte niet klopt? Nieuw onderzoek wijst uit dat het universum scheef staat en dat heeft grote gevolgen voor ons wereldbeeld.

We staan niet elke dag stil bij de opbouw van het universum. Is het overal hetzelfde of dijt de kosmos in bepaalde richtingen sneller uit dan in andere? Volgens een nieuwe overzichtsstudie, die deze week is gepubliceerd in vakblad Reviews of Modern Physics, is dat laatste misschien het geval. Het universum lijkt onevenwichtig te zijn, oftewel niet in alle richtingen gelijk.

Barsten in het kosmologische fundament

Het is meer dan een academische discussie. Het huidige standaard kosmologische model, beter bekend als het Lambda-Cold Dark Matter-model (ΛCDM), leunt zwaar op de aanname dat het heelal isotroop is: het ziet er gemiddeld overal hetzelfde uit, omdat de eigenschappen van het materiaal, zoals sterkte, elasticiteit, warmtegeleiding en optische eigenschappen, in alle richtingen gelijk zijn. De structuur is homogeen. Die aanname maakt de wiskunde behapbaar en vormt de ruggengraat van onze beschrijving van de kosmos. Maar er zijn steeds meer waarnemingen die wringen met het ΛCDM-model.

Scheve structuur of onbekende fysica

Kosmologen worstelen al jaren met metingen die niet met elkaar te rijmen zijn, zogenaamde spanningen in de data. De bekendste is de Hubble-spanning, waarbij de gemeten uitdijingssnelheid van het jonge heelal niet overeenkomt met die van het huidige universum. Minder bekend, maar fundamenteler, is de CMB-dipool. Deze recente ontdekking toont aan dat de richting van de grootste temperatuurverschillen in de kosmische microgolfachtergrond (CMB) niet overeenkomt met de dipool in de verdeling van materie, zoals sterrenstelsels. Dit suggereert dat het universum mogelijk niet zo symmetrisch (isotroop) is als het standaard kosmologische model (ΛCDM) veronderstelt. En dit vormt een serieuze uitdaging voor ons fundamentele begrip van de kosmos. Het zou kunnen wijzen op een lokaal ‘scheve’ structuur of een onbekende fysica, die teruggaat tot voor de inflatieperiode op het moment van de oerknal.

De echo van de oerknal

Om dat te begrijpen moeten we terug naar de kosmische microgolfachtergrond (CMB), de nagloed van de oerknal. Die straling is verbazingwekkend gelijkmatig: verschillen zijn kleiner dan één honderdduizendste. Dat gaf kosmologen het vertrouwen om het heelal te beschrijven met een maximaal symmetrisch ruimte-tijdmodel, de zogeheten Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker (FLRW)-metriek.

Maar in die vrijwel perfecte gelijkmatigheid zit één opvallende uitzondering: de CMB-dipool. Eén kant van de hemel is iets warmer, de tegenoverliggende iets koeler, een verschil van ongeveer één duizendste. Dat is op zich geen probleem voor het standaardmodel. De echte test kwam in 1984, toen astronomen George Ellis en John Baldwin een scherpe voorspelling deden. Als het universum echt symmetrisch is, dan moet die dipool ook terug te zien zijn in de verdeling van extreem verre objecten, zoals radiostelsels en quasars. Die vergelijking staat bekend als de Ellis-Baldwin-test. Decennialang ontbraken de data om die test goed uit te voeren. Maar nu is het eindelijk zover. En de uitkomst is even schrikken voor astronomen: het universum zakt namelijk keihard voor deze test. De dipool in de verdeling van materie komt totaal niet overeen met die in de CMB. “Dat is een directe uitdaging voor het standaardmodel en zelfs voor de onderliggende FLRW-metriek”, schrijven de wetenschappers.

Terug naar de tekentafel

Het resultaat is extra overtuigend omdat het met totaal verschillende instrumenten is gevonden: zowel radiotelescopen op aarde als satellieten die in het infrarood waarnemen. Systematische fouten zijn daardoor bijna helemaal uitgesloten. Toch krijgt de CMB-dipool opvallend weinig aandacht, waarschijnlijk omdat het niet zo een-twee-drie te repareren valt. Sterrenkundigen moeten terug naar de tekentafel om chocola te maken van de gapende gaten tussen theorie en waarneming.

De crisis komt op een interessant moment. De komende jaren zullen de nieuwe missies Euclid (ESA) en SPHEREx (NASA) en telescopen van het Vera Rubin Observatory en de Square Kilometre Array een lawine aan nieuwe data opleveren. Het zit er dik in dat er met behulp van machine learning totaal nieuwe inzichten zullen ontstaan. De impact gaat enorm zijn, niet alleen op de kosmologie, maar ook op de fundamentele natuurkunde zelf. Het zou kunnen betekenen dat het heelal anders in elkaar zit dan we altijd hebben gedacht. En misschien gaan we alles door dit nieuwe inzicht een stuk beter begrijpen.

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Het universum dijt misschien steeds trager uit, niet sneller en Aarde-achtige planeten komen mogelijk veel vaker voor in het heelal dan gedacht. Of lees dit artikel: Geen foutje van Hubble: James Webb bevestigt decennialang mysterie over uitdijing van het universum.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: !