Testing $f(Q)$ Gravity with DESI DR2 and Strong-Lensing Time Delays

Al decennia lang is het meest succesvolle verhaal dat we hebben over hoe het universum werkt, gebouwd op een simpel, zij het mysterieus, uitgangspunt. Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie beschrijft zwaartekracht niet als een kracht die objecten naar elkaar toe trekt, maar als een kromming in het weefsel van ruimte en tijd, vergelijkbaar met een zware bal die in een trampoline zinkt. Deze theorie heeft elke test doorstaan die eraan is voorgelegd, van de buiging van sterlicht tot het bestaan van zwarte gaten. Echter, in de late jaren 90 ontdekten astronomen iets dat dit verhaal niet uit zichzelf kon verklaren: het universum zet niet alleen uit, maar die expansie versnelt. Om de wiskunde te laten kloppen, moest het standaardmodel van de kosmologie een nieuw ingrediënt uitvinden genaamd donkere energie, vaak gerepresenteerd door een kosmologische constante, om het universum uit elkaar te duwen. Toch brengt deze oplossing zijn eigen hoofdpijn met zich mee, inclusief diepe puzzels over waarom deze duw überhaupt bestaat en waarom deze vandaag de dag precies de sterkte heeft die hij heeft.

Vanwege deze aanhoudende vragen zijn wetenschappers begonnen te zoeken naar alternatieven. In plaats van een mysterieus nieuw ingrediënt aan de kosmische soep toe te voegen, hebben ze zich afgevraagd of het recept voor zwaartekracht zelf iets anders zou kunnen zijn dan Einstein het opschreef. Een veelbelovende weg betreft een geometrische beschrijving van zwaartekracht die het vertrouwde idee van gekromde ruimte vervangt door een concept genaamd niet-metriciteit. In dit visie ontstaat zwaartekracht uit de manier waarop de regels voor het meten van afstand en tijd van punt naar punt veranderen, in plaats van uit de buiging van de ruimte. Deze benadering, bekend als symmetrische teleparallelle zwaartekracht, biedt een frisse manier om de vergelijkingen van het universum op te schrijven. Door deze vergelijkingen aan te passen, kunnen onderzoekers modellen creëren die de versnellende expansie zouden kunnen verklaren zonder een kosmologische constante te hoeven uitvinden.

In een recente studie onderwierp een team van onderzoekers twee specifieke versies van deze nieuwe zwaartekrachttheorie aan de test tegen de meest precieze kosmische metingen die vandaag de dag beschikbaar zijn. Ze richtten zich op twee wiskundige vormen: één die een eenvoudig machtswetpatroon volgt en een andere die een wortel-exponentiële vorm gebruikt. Om te zien welke, of welke van beide, overeenkwam met de realiteit, verzamelden ze een enorme collectie gegevens uit het echte universum. Dit omvatte metingen van hoe snel het universum op verschillende tijdstippen uitdijt, verzameld door te kijken naar de veroudering van oude sterrenstelsels; de ritmische patronen van geluidsgolven die bevroren zijn in de verdeling van sterrenstelsels; de tijdsvertragingen van licht van verre quasars die door massieve sterrenstelsels worden afgebogen; en de helderheid van duizenden exploderende sterren bekend als Type Ia-supernovae. Deze supernovae fungeren als kosmische mijlpalen, waardoor astronomen afstanden over miljarden lichtjaren met hoge precisie kunnen meten.

De onderzoekers gebruikten krachtige statistische instrumenten om te zien hoe goed hun nieuwe zwaartekrachtmodellen bij deze berg gegevens pasten in vergelijking met het standaardmodel. Ze ontdekten dat het eerste model, de machtswetversie, bijna exact hetzelfde presteerde als de standaardtheorie. Het kon de geschiedenis van het universum net zo goed beschrijven, maar het bood geen duidelijk voordeel dat de extra complexiteit zou rechtvaardigen. Het tweede model vertelde echter een ander verhaal. Toen de onderzoekers gegevens combineerden van de kosmische expansiegeschiedenis, de geluidsgolven van sterrenstelsels, de tijdsvertraging van licht en de supernova-catalogi bekend als Pantheon+ en Union 3.0, bood het wortel-exponentiële model een aanzienlijk betere fit dan de standaardtheorie. Het kwam nauwer overeen met de waarnemingen, en deze verbetering was sterk genoeg om de straf voor het toevoegen van een extra parameter aan de vergelijking te overtreffen.

Dit resultaat suggereert dat het universum misschien versnelt, niet omdat er een mysterieuze constante aan het duwen is, maar omdat de fundamentele regels van zwaatskracht een iets andere vorm hebben dan Einstein voorstelde. Het wortel-exponentiële model kwam naar voren als een bijzonder sterke kandidaat, die een nauwkeurigere beschrijving bood van de kosmische expansie voor verschillende van de door hen geteste gegevenscombinaties. De zaak is echter nog niet volledig beslecht. Wanneer het team een andere set supernova-gegevens gebruikte, bekend als DES Y5, herwon het standaardmodel de overhand, wat aangeeft dat het antwoord afhankelijk kan zijn van welke specifieke waarnemingen het zwaarst worden gewogen. Ondanks deze nuance laat de studie zien dat een gemodificeerde versie van zwaartekracht succesvol de versnellende expansie van het universum kan verklaren zonder een kosmologische constante te vereisen.

De onderzoekers keken ook naar een cruciaal moment in de kosmische geschiedenis: het overgangspunt waarop het universum stopte met vertragen onder zijn eigen zwaartekracht en begon te versnellen. Beiden van hun nieuwe modellen voorspelden dat deze verschuiving plaatsvond bij een kosmische roodverschuiving van ongeveer 0,66 tot 0,69, een waarde die perfect overeenkomt met wat we zien in het standaardmodel en met andere onafhankelijke waarnemingen. Deze overeenkomst is cruciaal; het betekent dat zelfs als de onderliggende zwaartekrachttheorie anders is, de tijdlijn van de evolutie van het universum consistent blijft met wat we waarnemen. De studie concludeert dat hoewel het standaardmodel een robuuste beschrijving van het kosmos blijft, de wortel-exponentiële vorm van gemodificeerde zwaartekracht een overtuigend en statistisch superieur alternatief biedt voor het verklaren van de laat-tijdse versnelling van het universum. Het vormt een levensvatbaar pad voorwaarts, wat suggereert dat het geheim van de expansie van het universum misschien niet ligt in een verborgen energie, maar in een dieper begrip van de geometrie van de ruimte zelf.