Het universum is een schijnbaar eindeloze zee vol met sterren, sterrenstelsels en nevels. Daarin zien we patronen en sterrenbeelden die door de geschiedenis heen verhalen hebben geïnspireerd. Maar er is één kosmisch patroon dat we nog steeds niet begrijpen. Een vraag die onbeantwoord blijft: wat is de vorm van het universum? We dachten dat we het wisten, maar nieuw onderzoek suggereert iets anders en het zou kunnen wijzen op een crisis in de kosmologie.
Veel vroege astronomen waren van mening dat het universum een bol van sterren was die het zonnestelsel omsloot en gecentreerd was op een vaste, onbeweeglijke aarde. Maar door de eeuwen heen ontdekten astronomen dat onze zon slechts een van de miljarden in een sterrenstelsel was en dat er talloze sterrenstelsels waren verspreid over miljarden lichtjaren ruimte. De vraag naar de vorm van de schepping leek een betwistbaar punt. Sterren en sterrenstelsels bestonden in een lege ruimte. Wat zou ruimte kunnen zijn dan een leeg canvas: plat, Euclidiaans en zonder structuur.
Begin 1900 ontwikkelde Albert Einstein zijn theorie van algemene relativiteitstheorie. Daarin was ruimte geen leeg canvas. Het kan buigen en strekken, draaien en vervormen, gebaseerd op de positie en beweging van massa in het universum. Deze ruimtelijke vervormingen leidden licht en materie af en veroorzaakten het effect dat we zwaartekracht noemen. Bij relativiteit kan de ruimte verschillende vormen aannemen. Het was toen mogelijk dat het heelal een algehele kosmische vorm kon hebben, net zoals de aarde over het algemeen rond is.
In grote lijnen zou algemene relativiteit het universum een van de volgende drie vormen kunnen geven: plat, gesloten of open.
Plat is de manier waarop we denken over ruimte in ons dagelijks leven. Het is de Euclidische ruimte waar we op school over leren. De vlakke ruimte strekt zich gelijkmatig uit in alle richtingen en twee parallelle lichtbundels zouden voor altijd parallel blijven.
Open ruimte kan worden voorgesteld als zadelvormig. Het buigt zo dat het divergeert als je naar buiten strekt. Twee lichtstralen die aanvankelijk evenwijdig waren, zouden zich geleidelijk uit elkaar verspreiden en iets van elkaar af draaien terwijl ze door de kosmos reizen.
Gesloten ruimte is over het algemeen bolvormig. Het convergeert naarmate het zich uitstrekt, zodat parallelle lichtstralen elkaar uiteindelijk zullen ontmoeten en elkaar kruisen, zoals lengtelijnen op aarde.
Opgemerkt moet worden dat geen van deze zaken te maken heeft met het feit dat het universum als geheel uitdijt. Kosmische expansie betekent dat punten in de ruimte zich in de loop van de tijd uit elkaar verspreiden. De vorm van het universum gaat over de vorm van ruimte. Een bolvormige ballon kan uitzetten wanneer deze wordt opgeblazen, net zoals een platte rubberen plaat kan worden uitgerekt en plat blijft. Dus ons uitbreidende universum kan plat, open of gesloten zijn.
Aangezien de kromming van de ruimte wordt beïnvloed door de aanwezigheid van massa, hangt de algehele vorm van het heelal af van de gemiddelde materiedichtheid daarin. In het algemeen wordt deze waarde gegeven door de dichtheidsparameter, wat de verhouding is tussen de waargenomen dichtheid en de 'kritische dichtheid' die nodig is om het universum plat te maken. Als de dichtheidsparameter 1 is, is de universe plat. Als het groter is dan 1, is het gesloten en is het open als de dichtheidsparameter kleiner is dan 1. Metingen van kosmische dichtheid hebben consequent een waarde van 1 gegeven. Tot de waarnemingsgrenzen is het universum plat, zoals we al lang vermoedden .
Maar er is nog een andere manier om de vorm van de kosmos te meten, en dat is om te kijken naar de schijnbare grootte van zeer verre objecten. Het komt allemaal terug op het gedrag van parallelle lichtbundels. In een plat universum blijven parallelle lijnen parallel, dus licht dat van twee kanten van een ver sterrenstelsel komt, bereikt ons in een rechte lijn. Hun hoeken ten opzichte van elkaar blijven hetzelfde, en dus verschijnt de melkweg als ware grootte.
Als het universum open is, lopen parallelle lijnen uiteen met de afstand. Dus het licht van ons verre sterrenstelsel wordt meer parallel als het ons bereikt. Dit betekent dat de melkweg kleiner lijkt dan hij is. Als het universum gesloten is, treedt de tegenovergestelde buiging van licht op en lijkt de melkweg groter dan hij is.
In een nieuw artikel gepubliceerd in Natuur, keek een team niet naar sterrenstelsels, maar eerder naar fluctuaties binnen de kosmische microgolfachtergrond (CMB). De CMB is het restlicht van de oerknal en het is het verste licht dat we in het universum kunnen zien. Hierdoor wordt het licht het meest beïnvloed door de vorm van het universum. De schaal van fluctuaties in de CMB wordt bepaald door de hoeveelheid donkere materie en donkere energie in het universum, die we kennen, dus we weten hoe groot de fluctuaties moeten verschijnen. Toen het team de CMB gegevens van het Plank-ruimtevaartuig ontdekten ze dat de fluctuaties groter waren dan verwacht. Dit betekent dat tot een zekerheid van 99% het universum gesloten is, niet plat.
Dit nieuwe onderzoek is in tegenspraak met talloze eerdere studies die aantonen dat het universum plat is. Er kan een systematische fout zijn in de Planck-gegevens waardoor het universum er gebogen uitziet, maar als het onderzoek accuraat is, wijst dit op een leemte in ons begrip. Voorlopig is de vorm van het universum onduidelijk.
Bron: Planck-bewijs voor een gesloten heelal en een mogelijke crisis voor de kosmologie, door Di Valentino, E., et al.
