Donkere energie: de kracht achter 68% van het heelal

Ongeveer 68% van alles wat bestaat, is iets dat nog nooit door een instrument rechtstreeks is gedetecteerd: donkere energie. Kosmologen schatten het aandeel van donkere materie momenteel op 27% en dat van gewone atomen — het materiaal van sterren, planeten en mensen — op amper 5%. Hoewel donkere energie zwaarder weegt dan al het andere samen, bleef ze naamloos en onopgemerkt tot de laatste jaren van de twintigste eeuw.

Dat veranderde in 1998, toen twee rivaliserende teams die exploderende sterren bestudeerden, ontdekten dat de uitdijing van het heelal juist versnelt in plaats van vertraagt. Het resultaat was zo onverwacht dat het natuurkundigen terugbracht naar een idee dat Albert Einstein decennia eerder had geïntroduceerd en daarna weer had verworpen.

Dit artikel gaat in op wat die waarnemingen precies aantoonden, hoe het oudste licht van het heelal die bevindingen ondersteunt, en waarom het verklaren van donkere energie nog steeds als een van de moeilijkste openstaande problemen in de natuurkunde wordt beschouwd.

De verdeling 68/27/5 is de huidige beste inschatting van de kosmologie voor alles wat bestaat, en die wordt steeds verder verfijnd naarmate instrumenten verbeteren. Gegevens van de Planck-satelliet van het Europese ruimtevaartagentschap ESA schatten het aandeel van donkere materie op 26,8%, bijna een vijfde hoger dan eerdere ramingen suggereerden — een teken dat zelfs de "vaststaande" cijfers in de kosmologie nog altijd bewegende doelen zijn.

Wat donkere energie zo vreemd maakt, is hoe ze het kosmische budget domineert terwijl ze nauwelijks bestaat. De dichtheid komt neer op ongeveer 7×10⁻³⁰ gram per kubieke centimeter, gelijk aan ongeveer 6×10⁻¹⁰ joule per kubieke meter massa-energie — ver onder wat gewone materie of donkere materie bereiken wanneer die samengepakt zit binnen een sterrenstelsel. Ze wint de boekhouding niet doordat ze ergens geconcentreerd is, maar simpelweg doordat ze overal tegelijk aanwezig is, waardoor haar totale effect toeneemt naarmate het heelal zelf groeit.

Lang voordat iemand een versnelling had gemeten, had Einstein al het wiskundige gereedschap gebouwd dat die uiteindelijk zou beschrijven. Hij voegde een extra term toe aan zijn zwaartekrachtsvergelijkingen, specifiek om een statisch, onveranderlijk heelal mogelijk te maken, wat destijds de gangbare aanname was. Toen latere waarnemingen aantoonden dat de kosmos juist uitdijde, verwierp Einstein zijn eigen aanpassing en noemde hij het een blunder.

Die verworpen term raakte grotendeels vergeten totdat kosmoloog Michael S. Turner het concept nieuw leven inblies onder een nieuwe naam. In een artikel dat hij in 1998 samen met Saul Perlmutter en Martin White schreef, muntte Turner de term "donkere energie" voor de kracht die de nieuw ontdekte versnelling aandreef — waarmee hij in feite het idee rehabiliteerde dat Einstein had verworpen.

De doorbraak kwam in 1998, toen twee rivaliserende groepen — het Supernova Cosmology Project aan de ene kant, het High-Z Supernova Search Team aan de andere — onafhankelijk van elkaar verre type Ia-supernova's gebruikten om te volgen hoe het tempo van de kosmische uitdijing over miljarden jaren is veranderd.

Deze specifieke supernova's vormen betrouwbare kosmische meetlatten doordat ze zo consistent ontploffen. Ze ontstaan wanneer de massa van een koolstof-zuurstof witte dwerg oploopt tot ongeveer 1,44 zonsmassa's, de drempel waarboven de ster zichzelf niet langer in stand kan houden. Omdat die grens van ster tot ster vrijwel identiek is, bereiken de resulterende explosies een vergelijkbare piekhelderheid, waardoor beide teams ze konden gebruiken om afstanden te bepalen. Toen die afstanden werden vergeleken met de mate van roodverschuiving van het licht, klopten de cijfers alleen als de uitdijing zelf versnelde.

Het verhaal van donkere energie loopt ook via het oudste licht dat astronomen kunnen waarnemen. De kosmische microgolfachtergrond werd volledig bij toeval ontdekt in 1965, toen twee onderzoekers van Bell Labs, Arno Penzias en Robert Wilson, op zoek waren naar een bron van radiostoring en in plaats daarvan een zwakke gloed over de hele hemel aantroffen.

Die gloed is een momentopname van de kosmos van ongeveer 375.000 jaar na het begin ervan, uit een tijd waarin alles nog een hete, dichte soep van deeltjes was. Naarmate de ruimte sindsdien is uitgerekt, is het licht zelf ook uitgerekt, tot het vandaag is afgekoeld tot microgolflengten die overeenkomen met slechts 2,7 graden boven het absolute nulpunt. In 1992 ontdekte de Cosmic Background Explorer-satelliet van NASA dat deze gloed niet perfect gelijkmatig is — ze vertoont piepkleine temperatuurvariaties over de hemel, en het steeds nauwkeuriger in kaart brengen van die variaties is hoe kosmologen tot het huidige 68/27/5-recept zijn gekomen.

Weten dat donkere energie bestaat is één ding; verklaren wat ze werkelijk is, blijft veel lastiger. Een toonaangevend idee beschouwt haar als de intrinsieke energie van de lege ruimte, het vacuüm zoals beschreven door de kwantumveldentheorie. Het probleem is dat wanneer natuurkundigen proberen te berekenen hoeveel energie dat vacuüm zou moeten bevatten, het resultaat wat daadwerkelijk wordt waargenomen met ongeveer 120 ordes van grootte overschrijdt — een kloof die zo enorm is dat sommige onderzoekers dit beschouwen als de minst nauwkeurige berekening ooit in de natuurkunde. Geen enkele aanpassing van de wiskunde heeft die kloof kunnen dichten, wat een groot deel verklaart van waarom donkere energie nog altijd als onafgewerkte zaak wordt beschouwd.

Als donkere energie niet echt bestaat, moet iets anders de versnelling verklaren — en het belangrijkste alternatief is dat Einsteins eigen zwaartekrachttheorie het begeeft zodra afstanden groot genoeg worden, waardoor de ruimte sneller kan uitrekken dan de zwaartekracht kan afremmen. Dat uitsluiten kostte decennia en werd pas mogelijk toen astronomen zwaartekrachtsgolven rechtstreeks konden meten.

GW170817, de eerste zwaartekrachtsgolf die ook door niet-zwaartekrachtswaarnemingen werd bevestigd, stelde natuurkundigen in staat de snelheid van de zwaartekracht precies genoeg te meten om veel van de aangepaste zwaartekrachttheorieën uit te sluiten die als alternatief voor donkere energie waren voorgesteld.

Het verhaal is nog niet af. De samenwerking rond het Dark Energy Spectroscopic Instrument meldde in maart 2025 dat de sterkte van donkere energie mogelijk niet constant is. Door de gegevens over baryonische akoestische oscillaties van het instrument te combineren met metingen van de kosmische microgolfachtergrond, zwakke-lensing-onderzoeken en supernovacatalogi, vond het team aanwijzingen voor een donkere energie die in de loop van de tijd verandert, met een statistische betrouwbaarheid die afhankelijk van de gecombineerde datasets ergens tussen 2,8 en 4,2 sigma lag.

Dat resultaat is intrigerend maar nog niet uitgemaakt, waardoor de ware aard van donkere energie tientallen jaren nadat Turner haar voor het eerst een naam gaf, een open vraag blijft.

• NASA: overzicht van WMAP
• ESA: Planck onthult een bijna perfect heelal
• Phys.org: zoektocht om een raadsel rond Einsteins theorie op te lossen
• Scientific American: het einde van de kosmologie?
• Wikipedia: donkere energie
• Wikipedia: versnellende uitdijing van het heelal
• Wikipedia: kosmologische constante
• Wikipedia: type Ia-supernova