Revisiting the Hubble tension with an inverse power-law early dark energy

Het universum is aan het uitdijen, een feit dat bijna een eeuw geleden werd vastgesteld. Maar wanneer astronomen proberen precies te meten hoe snel deze uitdijing vandaag de dag plaatsvindt, stuiten ze op een hardnekkige onenigheid. Eén methode kijkt naar de nagloeiing van de oerknal, een zwak licht dat miljarden jaren lang door het kosmos heeft gereisd. Wanneer wetenschappers dit oeroude licht analyseren, suggereert het dat het universum met een bepa bepaald, trager tempo uitdijt. Een andere methode kijkt naar de sterren en sterrenstelsels hier in onze kosmische buurt, waarbij de afstanden en snelheden direct worden gemeten. Deze lokale metingen wijzen consequent op een snellere uitdijingssnelheid. Het verschil tussen deze twee getallen is klein in absolute termen, maar statistisch significant genoeg om te suggereren dat ons huidige begrip van de geschiedenis van het universum mogelijk een stukje van de puzzel mist. Dit verschil staat bekend als de Hubble-spanning, en het is een van de meest urgente mysteries in de moderne kosmologie geworden.

Om dit op te lossen, hebben onderzoekers voorgesteld dat er iets ongewoons is gebeurd in het zeer vroege universum, slechts een fractie van een seconde na de oerknal. Ze noemen deze hypothetische component "vroege donkere energie". In tegen tegenstelling tot de donkere energie die we vandaag de dag kennen, die het universum uit elkaar drijft met een versnellende snelheid, zou deze vroege versie een tijdelijke uitbarsting van energie zijn geweest die een kort moment bestond voordat deze vervaagde. Als een dergelijke uitbarsting had plaatsgevonden, zou het de omstandigheden van het vroege universum net genoeg hebben veranderd om de manier waarop we het oeroude licht interpreteren te wijzigen, wat potentieel de trage uitdijingssnelheid die in het verleden werd gezien, zou kunnen verzoenen met de snelle snelheid die vandaag de dag wordt gemeten. Het bewijzen van een model voor deze energie dat de data beschrijft zonder nieuwe problemen te creëren, is echter moeilijk gebleken.

In een recente studie stelden natuurkundigen Quan Zhou en Sibo Zheng van de Chongqing Universiteit in China een nieuwe manier voor om deze vroege donkere energie te beschrijven. In plaats van de complexe vormen die in eerdere theorieën werden gebruikt, stelden zij een potentiaal voor die zich gedraagt als een zachte helling met een lange, taps toelopende staart. Stel je een heuvel voor die plat is aan de top, maar dan geleidelijk naar beneden loopt, waarbij hij nooit helemaal de bodem bereikt maar er oneindig dichtbij komt. In hun model bevindt een energieveld zich op deze helling. Gedurende een lange tijd blijft het veld nabij de top hangen, waarbij het fungeert als een constante energiebron. Maar naarmate het universum uitdijt en afkoelt, begint het veld uiteindelijk de helling af te rollen. Deze rollende beweging laat energie vrij, wat de tijdelijke uitbarsting creëert die nodig is om de geschiedenis van het vroege universum aan te passen. Zodra het veld ver genoeg naar beneden is gerold, wordt de energie ervan verwaarloosbaar, waardoor het effectief verdwijnt uit de kosmische vergelijking en het universum zoals wij het vandaag de dag zien, laat evolueren.

De onderzoekers testten dit idee door hun model in krachtige computersimulaties te voeden die de evolutie van het universum volgen van de oerknal tot het heden. Ze vergeleken de resultaten van hun simulaties met een enorme collectie van echte wereldgegevens. Deze gegevens omvatten de gedetailleerde kaart van de kosmische achtergrondstraling, metingen van hoe sterrenstelsels over het universum verspreid zijn, observaties van verre exploderende sterren, en de nieuwste directe metingen van de uitdijingssnelheid van een samenwerking die bekend staat als H0DN. Toen ze de cijfers doorliepen, kwamen ze tot de conclusing dat hun nieuwe model de twee conflicterende metingen van de uitdijingssnelheid inderdaad dichter bij elkaar kon brengen. Specifiek, voor een specifieke versie van hun model waarbij de helling van de energiewheuvel een bepaalde steilheid heeft, kwam de voorspelde uitdijingssnelheid uit op een waarde van ongeveer 70,20 kilometer per seconde per megaparsec, met een best-fit waarde van 70,56. Dit resultaat ligt comfortabel tussen de lagere waarde die door het oeroude licht wordt voorspeld en de hogere waarde die lokaal wordt gemeten, waardoor de spanning tussen de twee effectief wordt verminderd.

De oplossing is echter niet zonder eigen kosten. Hoewel het model de Hubble-spanning succesvol verlicht, introduceert het een ander soort wrijving. Dezelfde aanpassingen die de uitdijingssnelheid verhogen, hebben de neiging om ook de klonterigheid van materie in het universum te vergroten. Dit creëert een nieuw conflict met observaties over hoeveel materie er geclusterd is, een probleem dat bekend staat als de S8-spanning. De onderzoekers erkennen dat hun model dit bestaande probleem zelfs iets verergert, terwijl het de puzzel van de uitdijingssnelheid oplost. Bovendien leunt het model op specifieke begincondities die een mate van fijnafstemming vereisen, wat betekent dat de begininstellingen van het energieveld met hoge precisie moeten worden ingesteld om te werken. Dit suggereert dat hoewel de wiskundige vorm van hun potentiaal een veelbelovende kandidaat is, de diepere theoretische redenen waarom het universum in een zulke precieze configuratie zou beginnen, onduidelijk blijven.

De studie benadrukt ook dat dit nieuwe model een duidelijk vingerafdruk achterlaat op het universum die toekomstige telescopen zouden kunnen detecteren. De onderzoekers berekenden dat de aanwezigheid van deze vroege energieuitbarsting kleine, specifieke afwijkingen zou veroorzaken in de patronen van de kosmische achtergrondstraling en in de manier waarop materie over het kosmos is verdeeld. Deze afwijkingen zijn momenteel te klein om te worden gezien met bestaande data, maar ze zijn groot genoeg zodat toekomstige missies, die het universum met veel grotere precisie in kaart zullen brengen, ze zouden kunnen opmerken. Als toekomstige observaties deze specifieke patronen bevestigen, zou dit sterk bewijs leveren dat dit type vroege donkere energie echt heeft bestaan. Als dat niet het geval is, zal het model waarschijnlijk worden uitgesloten.

Uiteindelijk vertegenwoordigt dit werk een stap voorwaarts in de voortdurende inspanning om de uitdijing van het universum te begrijpen. Het biedt een concrete, testbare alternatief voor het standaardmodel van de kosmologie, een dat wiskundig verschillend is van eerdere pogingen. Hoewel het geen perfecte, allesomvattende oplossing biedt, laat het zien dat een energieveld met een eenvoudige, inverse machtswetvorm succesvol de kloof tussen conflicterende metingen van de Hubble-constante kan overbruggen. De weg vooruit bestaat uit het verzamelen van meer precieze gegevens om te zien of de geschiedenis van het universum werkelijk het teken draagt van deze vluchtige, vroege energie, of dat het mysterie van de Hubble-spanning een nog radicalere verklaring vereist.