Holographic dark energy in Einstein-Cartan spin cosmology

Het universum is aan het uitdijen, en niet alleen aan het uitdijen, maar ook aan het versnellen. Deze ontdekking, bevestigd door het observeren van verre exploderende sterren en de zwakke nagloeiing van de oerknal, heeft natuurkundigen gedwongen zich te buigen over een diepgaand mysterie: wat duwt het heelal uit elkaar? De belangrijkste verklaring betreft een mysterieuze kracht genaamd donkere energie, die werkt als een afstotende druk die de lege ruimte tussen sterrenstelsels vult. De meest voorkomende versie van deze theorie, die donkere energie behandelt als een constante, onveranderlijke eigenschap van de ruimte zelf, loopt echter tegen ernstige wiskundige en logische problemen aan. Het worstelt met de vraag waarom het universum nu versnelt, en waarom de hoeveelheid donkere energie zo perfect lijkt afgestemd op de hoeveelheid materie die we kunnen zien. Om dit op te lossen, zoeken wetenschappers vaak naar nieuwe manieren om de zwaartekracht zelf te beschrijven, waarbij ze zich afvragen of ons huidige begrip van hoe ruimte en tijd krommen incompleet is.

Eén dergelijke alternatieve theorie voegt een subtiele draai toe aan de geometrie van het universum. Terwijl de standaardzwaartekracht de ruimte beschrijft als een glad weefsel dat buigt onder het gewicht van materie, suggereert deze alternatieve theorie dat de ruimte ook een eigenschap bezit die torsie wordt genoemd. Je kunt torsie zien als een microscopische draai of een schroefachtige vervorming in het weefsel van de ruimtetijd, veroorzaakt door de intrinsieke spin van deeltjes, vergelijkbaar met hoe een tol een specifieke oriëntatie heeft. In dit kader, bekend als de Einstein-Cartan-theorie, is de spin van materie niet slechts passief aanwezig; het vervormt de geometrie van het universum actief op een manier die de standaardzwaartekracht negeert. Een team van onderzoekers heeft nu onderzocht hoe deze draaiende geometrie interageert met een specifiek model van donkere energie om te zien of het de huidige versnelling van het universum kan verklaren zonder dat er nieuwe, mysterieuze interacties tussen verschillende kosmische componenten hoeven te worden uitgevonden.

De onderzoekers richtten zich op een model genaamd holografische donkere energie. Dit idee komt voort uit een principe in de natuurkunde dat stelt dat de hoeveelheid energie in een regio van de ruimte beperkt wordt door de grootte van die regio, vergelijkbaar met hoe de massa van een zwart gat beperkt wordt door zijn omvang. In de standaardversie van dit model, als wetenschappers de grootte van het waarneembare universum als limiet gebruiken, gedraagt de donkere energie zich exact als gewoon stof. Het klontert samen en vertraagt de expansie in plaats van deze te versnellen. Om dit model binnen de standaardzwaartekracht te laten werken, moeten wetenschappers meestal een interactie tussen donkere materie en donkere energie afdwingen, wat in feilen neerkomt op het feit dat ze met elkaar communiceren op een manier die nog nooit is waargenomen. De nieuwe studie stelt een andere vraag: kan de geometrie van de ruimte zelf, specifelijk de torsie veroorzaakt door draaiende deeltjes, het gedrag van deze donkere energie veranderen zodat het het universum versnelt zonder dat er kunstmatige interacties nodig zijn?

Om dit te beantwoorden, past het team de vergelijkingen van de Einstein-Cartan-theorie toe op een universum gevuld met een vloeistof van draaiende deeltjes, die de materie en de donkere energie in het kosmos vertegenwoordigen. Ze kwamen tot de conclusie dat de aanwezigheid van torsie de regels fundamenteel verandert. In hun berekeningen werkt de draaiing van de ruimte als een verborgen kracht die het gedrag van de holografische donkere energie verschuift. In plaats van te fungeren als stof dat zaken vertraagt, wordt de donkere energie geduwd naar een staat waarin het negatieve druk uitoefent, wat precies nodig is om de kosmische versnelling aan te drijven. Cruciaal hierbij is dat dit op natuurlijke wijze gebeurt. De donkere materie en de donkere energie blijven volledig gescheiden en interageren nooit direct; de geometrie van het universum zelf overbrugt echter de kloof, waardoor de versnelling kan plaatsvinden. Dit suggereert dat de versnelling die we waarnemen misschien niet te wijten is aan een nieuw type energie of een geheime handdruk tussen kosmische componenten, maar eerder een gevolg is van de onderliggende geometrische structuur van het universum.

Het team heeft vervolgens getest of dit theoretische beeld overeenkomt met wat we daadwerkelijk aan de hemel zien. Ze vergeleken hun model met observaties van verre supernova's, die dienen als kosmische mijlpalen. Door één vrije parameter in hun model aan te passen, vonden ze een waarde die de geobserveerde gegevens opmerkelijk goed past. Deze best-fit waarde geeft aan dat het universum momenteel versnelt, en de sterkte van deze versnelling komt overeen met de metingen die we hebben gedaan bij nabijgelegen sterrenstelsels. Het model voorspelt dat de donkere energie zich zeer vergelijkbaar gedraagt met een kosmologische constante, een term die vaak wordt gebruikt om de energie van de lege ruimte te beschrijven, maar het bereikt dit resultaat via een ander mechanisme dat betrokken is bij de spin van materie. De onderzoekers hebben ook berekend hoeveel de "draai" in de ruimte, of torsie, bijdraagt aan dit effect. Ze stelden vast dat hoewel de draai klein is, deze groot genoeg is om meetbaar te zijn en consistent is met de huidige snelheid van expansie.

Naast het verklaren van de versnelling, onderzocht de studie ook hoe deze draaiende geometrie de manier beïnvloedt waarop we afstanden in het universum meten. In de standaardfysica bestaat er een strikte regel die de helderheid van een object op afstand verbindt met de schijnbare grootte ervan; als je de ene weet, kun je de andere berekenen. Echter, de aanwezigheid van torsie breekt deze regel enigszins. Terwijl het licht van een verre bron naar de aarde reist, stapelt de draaiing van de ruimte zich langs het pad op, wat een minuscule afwijking creëert in de relatie tussen helderheid en grootte. De onderzoekers berekenden dat deze afwijking groter wordt naarmate de afstand tot het object toeneemt. Hoewel het effect momenteel te klein is om gezien te worden met bestaande telescopen, vormt het een concrete, testbare voorspelling. Als toekomstige instrumenten kosmische afstanden met extreme precisie kunnen meten, zouden ze deze specifieke signatuur van torsie kunnen detecteren, wat een manier biedt om deze geometrische verklaring voor donkere energie te bevestigen of uit te sluiten.

De studie concludeert dat het Einstein-Cartan-kader een levensvatbare, zelfconsistente verklaring biedt voor het versnellende universum. Het toont aan dat de intrinsieke spin van materie, door het mechanisme van torsie, het gedrag van donkere energie kan modificeren op een manier die de standaardzwaartekracht niet kan. Dit maakt het mogelijk dat het universum versnelt zonder dat donkere materie en donkere energie met elkaar hoeven te interageren, wat een langlopend puzzelstuk in de kosmologische modellering oplost. De bevindingen vormen een consistente beschrijving van het universum bij lage roodverschuivingen, wat betekent dat ze van toepassing zijn op de relatief recente geschiedenis van het kosmos. Hoewel het model nog geen aanspraak maakt op het verklaren van de volledige geschiedenis van het universum vanaf de oerknal tot vandaag, beschrijft het succesvol de huidige epoche van versnelling. Het werk suggereert dat de geometrie van de ruimtetijd rijker en complexer is dan voorheen gedacht, en het potentieel draagt om nieuwe fysica te onthullen door de subtiele, cumulatieve effecten van kosmische draaiingen op het licht dat door de enorme leegte reist.