Al bijna een eeuw lang vormt het kosmologisch principe het uitgangspunt van de kosmologie. Het kosmologisch principe is de aanname dat het heelal zowel homogeen als isotroop is. Homogeniteit betekent dat het heelal op elke locatie dezelfde eigenschappen bezit en isotropie betekent dat het heelal in elke richting dezelfde eigenschappen heeft. Over het algemeen heeft het kosmologisch principe betrekking op verdeling van materie in het heelal.
Op lokale schaal is materie in het heelal aantoonbaar homogeen noch isotroop. Aangezien we het echter over het heelal hebben, is het van belang ons niet druk te maken om lokale zaken, maar te focussen op het grotere plaatje. In dat geval houdt homogeniteit in dat het heelal er hetzelfde uitziet voor alle waarnemers waar dan ook in het heelal. Aangezien wij beperkt zijn tot één locatie in het heelal, kunnen we de aanname van homogeniteit uiteraard niet direct testen. Het is zelfs zo dat studies over de verdeling van materie in het heelal aantonen dat er sprake is van samenklontering van materie op zeer grote schaal. Er wordt van uitgegaan dat deze samenklontering op de grootste schalen wegvalt, maar dit is nog niet waargenomen.
De aanname van isotropie houdt over het algemeen in dat het heelal geen rand heeft. Als het heelal een rand zou hebben, zou het er voor een waarnemer in de buurt van deze rand heel verschillend uitzien afhankelijk van de richting waarin deze waarnemer zou kijken. Voor een dergelijke waarnemer zou de verspreiding van materie abrupt stoppen wanneer zijn blikveld de rand zou bereiken, maar de aanwezigheid van materie zou de andere kant op haast eindeloos doorgaan. Als het heelal een rand had, maar we waren er niet dicht genoeg bij in de buurt om deze waar te nemen, dan zou het heelal de indruk wekken van isotropie zonder dat hier sprake van was. Een schending van de isotropie zou echter op subtielere wijze aan het licht kunnen komen. Zo is niet alleen materie over het heelal verspreid, maar lijkt de ruimte uit te zetten en materie met zich mee te nemen.
De mogelijkheid van uitdijing was al een eeuw geleden voorspeld, toen Einsteins algemene relativiteitstheorie op het heelal werd toegepast. Edwin Hubble bevestigde deze voorspelling in 1929 met een artikel dat als een mijlpaal wordt gezien, wat leidde tot de Wet van Hubble. De Wet van Hubble koppelt de roodverschuiving van sterrenstelsels aan hun afstand, wat andersom kan worden gebruikt om de afstand van verafgelegen sterrenstelsels te bepalen door hun roodverschuiving te meten. Als het heelal niet isotroop is, dan zouden afwijkingen van de isotropie zich openbaren als uiteenlopende uitdijingssnelheden in verschillende richtingen. Dat is wat volgens een recentelijk verschenen paper1 is ontdekt.
Wat het onderzoek heeft aangetoond
In dit nieuwe onderzoek zijn 313 sterrenstelselclusters onderzocht. Een sterrenstelselcluster is een groep sterrenstelsels die door de zwaartekracht met elkaar verbonden zijn. Een sterrenstelselcluster kan meer dan duizend individuele, grote sterrenstelsels bevatten, die elk een paar honderd miljard stellen bevatten. Het moge duidelijk zijn dat dit grote structuren zijn. Tussen de sterrenstelsels in een cluster bevindt zich veel heet gas. Dit intraclustaire medium bevat doorgaans tien keer de massa van de sterren in de sterrenstelsels van een cluster. Het intraclustaire medium is zó heet (10-100 miljoen kelvin) dat het overvloedige hoeveelheden röntgenstralen uitzendt. Aangezien röntgenstralen niet door de atmosfeer van de aarde dringen, wisten astronomen niet eens van het bestaan van het intraclustaire medium tot ongeveer een halve eeuw geleden, toen er voor het eerst röntgentelescopen boven de atmosfeer van de aarde werden geplaatst. Vandaag de dag worden röntgenbronnen regelmatig waargenomen met röntgentelescopen die zich in een baan om de aarde bevinden.
Het is de uitstoot van röntgenstralen die deze nieuwe studie mogelijk heeft gemaakt. Het is relatief eenvoudig om op basis van waarnemingen van deze röntgenstraling de temperatuur, T, en totale uitstoot van röntgenstraling van het intraclustaire gas van een sterrenstelselcluster te bepalen. Als we de afstand tot een sterrenstelselcluster kennen (gewoonlijk door toepassing van de Wet van Hubble op de roodverschuiving van het sterrenstelselcluster), kan de gemeten uitstoot van röntgenstraling worden omgezet in een gekalibreerde helderheid van deze röntgenstraling, Lx. Astronomen hebben ontdekt dat T en Lx nauw met elkaar verbonden zijn.
Het onderhavige onderzoek wees uit dat sommige sterrenstelselclusters significant afweken van dit Lx–T-verband en dat deze afwijkingen sterk afhankelijk waren van de locatie in de hemel. De onderzoekers hebben hun data over 313 sterrenstelselclusters gecombineerd met de resultaten van twee eerdere studies, waarmee de totale steekproef op 842 sterrenstelselclusters komt. De auteurs van het onderzoek bespreken twee mogelijke oorzaken van deze richtingsafhankelijke afwijking van het Lx–T-verband in hun steekproef en hebben deze uitgesloten. Dit laat de mogelijkheid over dat de waargenomen afwijken echt zijn.
Als deze afwijkingen echt zijn, wat betekent dit dan? Het waarschijnlijkste antwoord is dat de gekalibreerde helderheid van de röntgenstraling niet klopt. Als de helderheid van de röntgenstraling niet juist is, komt dat doordat de afstanden op basis waarvan deze is gekalibreerd niet kloppen. Maar deze afstanden zijn ontleend aan de aanname van een uniforme uitdijing in alle richtingen, dus deze afwijkingen van het Lx–T-verband duiden erop dat de uitdijing van het heelal niet in alle richtingen uniform is. Met andere woorden: het heelal is niet isotroop. Deze conclusie is consistent met enkele eerdere onderzoeken, hoewel de conclusie van de huidige studie robuuster is.
De implicaties
De heilige graal van de oerknalkosmologie is de kosmische achtergrondstraling (CMB). [Een afkorting van Cosmic Microwave Background, red.] Er is sprake van enkele grootschalige onregelmatigheden (anisotropieën) in de CMB. Zo heeft de CMB een dipool, wat betekent dat de CMB in de ene richting iets warmer is en in de tegenovergestelde richting iets koeler. Dit wordt geïnterpreteerd als veroorzaakt door de beweging van ons sterrenstelsel met een snelheid van 370 km/s in de richting van de warmere pool in de CMB. De anisotropie van de huidige studie heeft volstrekt niets te maken met de CMB-dipool, dus kan niet worden veroorzaakt door onze beweging door de ruimte. Ook heeft deze niets te maken met de “Axis of Evil” of de CMB Cold Spot2, twee andere nog onopgehelderde anomalieën in de CMB. Er zijn andere, goed gedocumenteerde isotropieën in de CMB. Samen met andere onderzoeken wekt dit nieuwe onderzoek twijfels over de aanname dat het heelal homogeen is. Aangezien deze twee aannames het kosmologisch principe in gevaar brengen, zou het kosmologisch principe wel eens onjuist kunnen zijn. Daar het kosmologisch principe al bijna een eeuw lang de basis heeft gevormd voor de kosmologie, is het gevolg van eventuele onjuistheid ervan dat alles wat de afgelopen eeuw over kosmologie gepubliceerd is in twijfel kan worden gebracht.
Conclusie: het niet deugen van het kosmologisch principe zal de kosmologie niet snel op zijn kop zetten
Zal dit onderzoek kosmologen ertoe zetten de juistheid van het kosmologisch principe te revalueren? Waarschijnlijk niet. Dit zou neerkomen op een paradigmaverschuiving, en mensen reageren over het algemeen niet goed op paradigmaverschuivingen. Als het kosmologisch principe onjuist is, dan zou dat veel van de kosmologie van de afgelopen eeuw ondermijnen. Dit geldt in het bijzonder voor het oerknalmodel. Aangezien de oerknal het enige oorsprongsmodel voor het heelal is dat door de meeste wetenschappers in acht wordt genomen, verwacht ik dat de conclusies van deze nieuwe paper niet worden verwelkomd. Anders is het oerknalmodel niet juist.
Bijbeltrouwe christenen begrijpen dat de oerknal onjuist is omdat deze in tegenspraak is met wat de Bijbel zegt over het ontstaan van het heelal.3 Het is bemoedigend om wetenschappelijke onderzoeken te zien die problemen met het oerknalmodel aantonen, in dit geval een dat een aanname ondermijnt die fundamenteel is voor de oerknal.
