27 januari 1994 NRC

Hubble-constante weigert constant te worden - George Beekman

De Hubble-constante koppelt afstanden van sterrenstelsels aan hun vluchtsnelheid. Een nauwkeurige afstandsladder vergt een precieze waarde van deze constante. De Space Telescope moet deze leveren.

 

Onderschrift:
Foto ESA/NASA; Grafiek: De ontdekking van het verband tussen de vluchtsnelheid (in km/s) en de afstand (in miljoenen parsecs: 1 pc = 3,26 lichtjaar) van sterrenstelsels, zoals gepubliceerd in 1929 door Edwin Hubble.

In de natuur- en sterrenkunde kent men een groot aantal natuurconstanten, ook wel fundamentele of universele constanten genoemd.
Het zijn fysische grootheden met een vaste waarde die een relatie tussen andere grootheden vastleggen. Zo is de gravitatieconstante (G) een grootheid in de wet die de aantrekking tussen twee hoeveelheden materie beschrijft. Zou deze constante opeens veranderen, dan zouden allerlei zaken méé moeten veranderen.

Veel tijd is gestoken in het zo nauwkeurig mogelijk bepalen van deze grootheden. Deze inspanningen hebben er toe geleid dat vele natuurconstanten inmiddels met een heel grote nauwkeurigheid bekend zijn: soms (zoals bij de in de atoomfysica gebruikte Rydberg-constante) tot op een miljoenste promille. Veel slechter is het gesteld met de in de astronomie gebruikte Hubble- constante. De onzekerheid daarin bedraagt maar liefst een factor twee!

Voor astronomen is de Hubble-constante juist van groot belang. Hij is de constante in de formule die het verband aangeeft tussen de afstand van sterrenstelsels en hun vluchtsnelheid. Die vluchtsnelheid is een gevolg van de algehele uitdijing van het heelal. De uitdijing gebeurt zodanig dat hoe verder het ene stelsel van een ander (of ons) vandaan staat, des te sneller het zich van die ander (of van ons) verwijdert.

De constante van Hubble geeft aan in welke mate deze vluchtsnelheid met de afstand toeneemt, dus hoe snel het heelal uitdijt. Hij bepaalt dus zowel de 'omvang' als leeftijd van het heelal. Verandert deze constante, dan veranderen omvang en leeftijd ook.

De constante van Hubble is genoemd naar de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble, die deze waarde in 1929 voor het eerst bepaalde. Hubble mat de vluchtsnelheid en afstand van sterrenstelsels en ontdekte het lineaire verband er tussen: de wet van Hubble. In een brief aan de Nederlandse astronoom Willem de Sitter drukte Hubble zijn bezorgdheid uit over de grootte van de door hem gemeten snelheden, tot meer dan 30.000 km per seconde, want wat zou daar nu achter zitten?

'We gebruiken de term schijnbare snelheden om de nadruk te leggen op het empirische karakter van het gevonden verband', zo schreef hij. 'De interpretatie daarvan zou moeten worden overgelaten aan u en de heel weinige anderen die zo competent zijn om deze zaak van alle kanten te kunnen bestuderen'. De interpretatie zou uiteindelijk zijn dat de sterrenstelsels niet met grote snelheden dóór de ruimte vliegen, maar dat het de ruimte zelf is die uitdijt. Alles wat zich daarin bevindt beweegt met deze Hubble-stroom mee.

Strijd
Hubble vond dat een sterrenstelsel dat een miljoen parsec (1 pc = 3,26 lichtjaar) verder stond dan een ander stelsel, zich van ons verwijderde met een snelheid die 500 km per seconde groter was. Terugrekenend zou dat betekenen dat alle stelsels twee miljard jaar geleden op een kluitje hadden gestaan, dus dat het heelal die 'leeftijd' zou moeten hebben. Maar dat was minder dan de toen bepaalde leeftijd van de aarde.

In de jaren veertig vond men voor de Hubble-constante een waarde van 250 km per seconde per miljoen parsec en in de jaren zeventig was de waarde al gezakt tot onder de 100. De toen berekende leeftijd van het heelal was al beter in overeenstemming met die van de zon en de sterren. In die tijd leek men ook op één waarde af te stevenen, maar dat pakte anders uit. Er is zelfs een ware strijd tussen twee groepen aan de gang.

In principe zou het niet moeilijk moeten zijn om de constante van Hubble te bepalen. Men meet de vluchtsnelheid en afstand van een aantal sterrenstelsels, deelt die waarden op elkaar en voilá. Maar er zitten heel wat addertjes onder het gras.

De vluchtsnelheid van sterrenstelsels is af te leiden uit de mate waarin de lijnen in hun spectra naar het rood (de langere golflengten) zijn verschoven. Deze roodverschuiving ontstaat doordat het licht door de uitdijing van het heelal wat wordt 'uitgerekt'. Hij is te meten met een nauwkeurigheid in de orde van een procent.

Het probleem is echter dat sterrenstelsels niet alleen passief op de Hubble-stroom meedrijven, maar ook zelf een beweging hebben. Die beweging is het gevolg van de aantrekkingskracht van naburige stelsels en kan in allerlei richtingen plaatsvinden. De willekeurige snelheden kunnen oplopen tot meer dan duizend kilometer per seconde en vormen vooral bij stelsels die betrekkelijk dichtbij staan (dus betrekkelijk kleine vluchtsnelheden hebben) een groot probleem. Zo beweegt de Andromedanevel als gevolg van dit effect niet van ons af, maar naar ons toe.

Afstandsladder
Ook het meten van de afstanden van sterrenstelsels is geen sinecure. Ondanks het feit dat we met telescopen heel diep in het heelal kunnen kijken, is het bepalen van de afstanden van wat we daar zien niet eenvoudig. Het afstandsbereik is zo groot, dat de grootste afstanden alleen via vele tussenstappen kunnen worden overbrugd. Bij het construeren van zo'n afstandsladder worden echter ook fouten en onzekerheden meegenomen.

Voor het meten van afstanden van tamelijk nabije sterrenstelsels gebruikt men afstandsindicatoren: objecten in die stelsels waarvan de absolute helderheid bekend is. Uit de waargenomen, schijnbare helderheid die men meet kan dan de afstand worden berekend. Veel gebruikte indicatoren zijn Cepheïden (een bepaald soort pulserende sterren) supernovae (exploderende sterren), planetaire nevels (door sterren uitgestoten bolvormige gaswolken) en bolvormige sterrenhopen (opeenhopingen van grote aantallen sterren).

Staat een sterrenstelsel zo ver weg dat er geen afzonderlijke objecten meer in zijn te onderscheiden, dan moet men gebruik maken van de eigenschappen van het stelsel als geheel, zoals de schijnbare helderheid, diameter of rotatie. Maar hiermee wordt het aantal onzekerheden nogmaals vergroot, want hoe weet men bijvoorbeeld of twee stelsels van hetzelfde type ook werkelijk dezelfde eigenschappen hebben?

De Amerikaans-Nederlandse astronoom Sidney van den Bergh liet onlangs in zijn lijvige overzichtsartikel over de kosmische afstandsladder in de Publications of the Astronomical Society of the Pacific (vol. 104, p. 861) een foto zien van twee gelijksoortige spiraalstelsels waarvan de diameter een factor drie bleek te verschillen. Met zulke grote verschillen is het slecht afstanden bepalen.

De meeste stelsels waarvan de afstanden met behulp van de afstandsindicatoren vrij goed zijn te bepalen bevinden zich op betrekkelijk kleine afstanden: tot ongeveer 10 miljoen lichtjaar. Die stelsels maken deel uit van de Lokale Groep, waartoe ook ons melkwegstelsel behoort. Hun bewegingen worden echter zo sterk gestoord door onderlinge aantrekkingskrachten, dat hun snelheden verre van representatief zijn voor de lokale uitdijingssnelheid van het heelal.

Om vluchtsnelheden te kunnen meten die wèl representatief zijn voor de kosmsiche expansie, moet men naar grotere afstanden toe: minstens enkele tientallen miljoenen lichtjaren. Maar van die stelsels zijn de afstanden alweer moeilijker te bepalen. Een groot deel van de huidige inspanningen is dan ook gericht op het koppelen en ijken van de methoden die in deze twee afstandsbereiken worden gebruikt.

Deze inspanningen hebben nog steeds niet geleid tot een eenduidig resultaat. Een recent overzicht laat zien dat de gevonden waarden voor de Hubble-constante uiteenlopen van 40 tot 100 (Science 256, p. 321), met geschatte fouten tot soms boven de 30. Bij de laagste waarde zou het heelal krap 10 miljard jaar oud moeten zijn en een 'straal' van 10 miljard lichtjaar hebben. Bij de hoogste waarde hoort een leeftijd ruim 20 miljard jaar en een straal van 20 miljard lichtjaar.

De lagere waarde is echter moeilijk te rijmen met de leeftijd van bijvoorbeeld sommige sterrenhopen, die een ouderdom van maar liefst 16 miljard jaar zouden hebben. En tussen het moment van het ontstaan van het heelal en het ontstaan van deze sterrenhopen moet er natuurlijk ook nog een zekere tijd zijn verlopen. Bij de lagere Hubble-constante is er wel voldoende tijd voor het ontstaan van allerlei hemellichamen.

Onzichtbare materie
Bij het afleiden van de ouderdom van het heelal speelt overigens niet alleen de expansie-parameter een rol, maar ook de gemiddelde dichtheid van de materie in het heelal. Deze bepaalt namelijk de mate waarin de expansiesnelheid sinds het ontstaan van het heelal is afgenomen. Maar ook deze materiedichtheid is moeilijk te bepalen, mede gezien het feit dat er nog een grote hoeveelheid 'onzichtbare materie' in het heelal moet zijn. Zo zijn Hubble-constante en ouderdom ook nog via een extra, onzekere factor met elkaar vervlochten.


Opmerkelijk is nu dat er sinds de jaren zeventig in de Hubble-constante twee scholen of kampen bestaan. Het ene kamp wordt geleid door Allan Sandage, de opvolger van Edwin Hubble, en zijn Zwitserse colega Gustav Tammann. Zij vinden steevast een Hubble-constante zo tussen de 40 à 50 (km per seconde per megaparsec). Het andere kamp wordt geleid door Gérard de Vaucouleurs, een van oorsprong Frans astronoom aan de universiteit van Texas in Austin. Die heeft in dezelfde periode steeds waarden tussen de 80 en 90 gevonden.

De twee Hubble-kampen blijken niet met elkaar te kunnen worden verzoend. Beide veldheren denken namelijk dat hun foutenmarges zo gering zijn, dat de resultaten van de ander er buiten vallen. 'Gezien het feit dat zij min of meer dezelfde sterrenstelsels bestuderen, ongeveer dezelfde methoden gebruiken en vaak hetzelfde waarnemingsmateriaal, vind ik dit ongelooflijk', verzucht Michael Rowan-Robinson in zijn boek The Cosmological Distance Ladder (1985).

Toch suggereren de Japanse astronoom M. Fukugita en zijn Amerikaanse collega's C.J. Hogan en P.J.E. Peebles in een recent nummer van Nature (vol. 366, p. 309) dat een consensus nu binnen bereik lijkt, aangezien 'de bronnen van mogelijke fouten nu duidelijk omschreven zijn'. Een stuk voorzichtiger is de Amerikaanse astronoom Paul W. Hodge in het oktobernummer van Sky and Telescope, die meent dat er nog steeds een aantal 'hardnekkige twijfels' bestaan.

Turbulentie
In de eerste plaats heeft het verleden nu wel geleerd op dit gebied niet te snel optimistisch te zijn. In de tweede plaats valt ook een Hubble-constante ergens tussen de 50 en 80 nog vrij moeilijk te rijmen met de leeftijd van sommige hemellichamen. En in de derde plaats zou de recente ontdekking van grootschalige bewegingen (op veel grotere schaal dan die in clusters van sterrenstelsels) wel eens kunnen impliceren dat er helemaal geen unieke Hubble-constante bestaat. Misschien is er zoveel turbulentie in het heelal dat de exacte uitdijingsparameter altijd versluierd blijft.

Een van de grootste onzekerheden in de afstandsladder (en dus in de waarde van de Hubble-constante) wordt gevormd door de afstand van de Virgo-cluster: een grote groep sterrenstelsels in het sterrenbeeld Maagd (Virgo). Zijn afstand ligt waarschijnlijk ergens tussen de 46 en 72 miljoen lichtjaar. Deze cluster is waarschijnlijk de meest nabije die ongestoord meedrijft op de Hubble-stroom. Als men de afstand tot het centrum van deze cluster nauwkeurig zou kunnen bepalen, dan zou men die cluster als een belangrijke koppelingsfactor tussen verschillende afstandsbereiken kunnen gebruiken.

Het bepalen van de afstand van die cluster was een van de belangrijkste opdrachten van de in 1990 gelanceerde Hubble Space Telescope. Die moest zo scherp kunnen kijken, dat hij in de Virgo-cluster afzonderlijke sterren kon waarnemen (waaronder de zo belangrijke Cepheïden). Doordat het instrument de eerste jaren door een fout in de hoofdspiegel minder presteerde, heeft men zich moeten beperken tot meer nabije sterrenstelsels. Maar met behulp van de in december aangebrachte correctie-optiek, zou die taak alsnog kunnen worden volbracht.

Een van de eerste sterrenstelsels die met behulp van de gereviseerde Hubble-telescoop werd gemaakt, was het stelsel M 100, een van de helderste stelsels van de Virgo-cluster. De opname werd onlangs door de NASA trots aan de pers vertoond. In de buitendelen van dit stelsel lijken inderdaad afzonderlijke sterren te zijn waargenomen. Enkele daarvan hebben een helderheid als die van Cepheïden. Verdere waarnemingen zullen moeten uitwijzen of het ook werkelijk Cepheïden zijn.

Verslagen
Bij de presentatie van deze eerste opnamen werd opgemerkt 'dat alleen de Hubble Space Telescope dit soort waarnemingen kan doen, omdat de Cepheïden [in deze cluster] te zwak en te klein zijn om met behulp van telescopen op aarde te kunnen worden waargenomen'. Maar dat zou wel eens kunnen meevallen. Met behulp van zogeheten adaptieve optiek is het nu namelijk mogelijk ook vanaf de aarde door de onrustige dampkring heen veel scherper in het heelal te kunnen kijken. Bij deze techniek wordt een soort 'anti-onrust' veroorzaakt, die de beeldonrust van de atmosfeer compenseert.

Astronomen van instituten in Cambridge en Durham hebben deze techniek gebruikt in combinatie met de 4,2 meter William Herschel telescoop op La Palma, een van de beste waarnemingslokaties op het noordelijk halfrond. In twee stelsels van de Virgo-cluster werden afzonderlijke sterren waargenomen, waarvan er misschien enkele Cepheïden zijn. 'Hiermee hebben we dus de Hubble Space Telescope verslagen', zo melden zij trots in het decembernummer van het Britse kwartaalblad Gemini.

Bij dit alles mag echter niet uit het oog worden verloren dat de de 'meetlatten' naar de Virgo-cluster en verder verwijderde clusters van sterrenstelsels uiteindelijk geijkt moeten worden aan de veel kortere meetlatjes dichter bij huis: die naar bepaalde sterren in ons eigen melkwegstelsel. En ook die meetlatjes blijken nog voor verrassingen te kunnen zorgen.

De Amerikaanse astronoom George Gatewood en zijn collega's melden in het oktobernummer van de Publications of the Astronomical Society of the Pacific nauwkeurig de afstand tot Delta Cephei te hebben bepaald: het prototype van de sterren van de Cepheïden-maatstok. Van deze ster werd tot nu toe aangenomen dat hij op een afstand van 630 lichtjaar stond. De Amerikaanse onderzoekers vinden echter een afstand van maar liefst 1100 lichtjaar. Dit betekent dat de (absolute) helderheid van deze ster groter is dan men tot nu toe op grond van zijn afstanden had afgeleid. Ook deze verandering zal op de een of andere manier doorwerken in de Hubble-constante.

Terwijl sommige astronomen de kosmische afstandsladder aan de bovenkant behoedzaam uitbouwen, zijn er weer anderen die aan de onderste treden morrelen. Ook dit maakt het niet erg aannemelijk dat er al snel een consensus over de Hubble-constante zal worden bereikt. Ouderdom en omvang van het heelal zullen voorlopig nog wel een factor twee onzeker blijven.

Illustraties:
Allan Sandage (geb. 1926), verdediger van de lage waarde voor de Hubble-constante, dus van een relatief oud, langzaam uitdijend heelal.

Gérard de Vaucouleurs (geb. 1918), verdediger van een hoge waarde voor de Hubble-constante, dus van een relatief jong, snel uitdijend heelal.

Edwin Hubble (1889-1953) in de brandpunt-cabine van de 5 meter Hale-telescoop op Palomar Mountain. Hubble ontdekte in 1929 het lineaire verband tussen de vluchtsnelheid van een sterrenstelsel en zijn afstand tot de aarde. Het centrale deel van de Coma-cluster, een verre cluster die uit meer dan duizend sterrenstelsels bestaat. De cluster beweegt zich als gevolg van de uitdijing van het heelal met een snelheid van ongeveer 7000 km per seconde van ons vandaan. Zijn afstand is echter niet goed bekend: ergens tussen de 240 en 380 miljoen lichtjaar.

Opnamen van het spiraalstelsel M 100, een van de helderste stelsels in de Virgo-cluster, gemaakt met behulp van de Hubble Space Telescope. Links een overzichtsopname met de oude Wide Field and Planetary Camera. Rechts een opname van het centrale deel met behulp van de nieuwe WFPC-2. De nieuwe camera is voorzien van speciale optiek die de fout in de hoofdspiegel van de ruimtetelescoop corrigeert.

Het bepalen van de afstand van deze cluster was een van de belangrijkste opdrachten van de in 1990 gelanceerde Hubble Space Telescope
. De fout in zijn hoofdspiegel maakte dit echter onmogelijk. Nu de telescoop weer een stuk scherper kan zien, wordt dit doel misschien alsnog bereikt. Nu weet men slechts dat de afstand van deze cluster, die een van de belangrijkste schakels vormt in de kosmische afstandsladder, ergens tussen de 46 en 72 miljoen lichtjaar moet liggen.