Een nieuwe studie toont aan dat het universum mogelijk veel minder ‘uniform en symmetrisch’ is dan mensen lang hebben aangenomen. Deze conclusie doet het uitgangspunt van het standaard kosmologische model, voorgesteld door “ΛCDM” (Λ-koude donkere materie), op zijn grondvesten schudden. Jarenlang heeft de wetenschappelijke gemeenschap algemeen het zogenaamde ‘kosmologische principe’ aanvaard, dat wil zeggen: op een schaal die groot genoeg is, is het universum grofweg hetzelfde in alle richtingen en is de verdeling van de materie over het geheel genomen uniform; het ΛCDM-model is gebaseerd op deze veronderstelling, waarin "Λ" de mysterieuze "donkere energie" vertegenwoordigt waarvan wordt aangenomen dat deze de versnelde uitdijing van het universum aandrijft, en "CDM" verwijst naar koude donkere materie die beweegt met een snelheid die veel langzamer is dan de snelheid van het licht. Nieuw bewijs wijst echter op een andere mogelijkheid: het universum kan op grote schaal ‘scheef’ en ‘asymmetrisch’ zijn.
De kern van deze controverse is de zogenaamde ‘kosmische dipoolanomalie’. Om dit te begrijpen moeten we beginnen met de kosmische achtergrondstraling (CMB) – het zwakke stralingsresidu dat achterbleef toen het heelal voldoende afkoelde om fotonen ongeveer 380.000 jaar na de oerknal vrij te laten reizen. Het wordt beschouwd als een van de belangrijkste observationele hoekstenen van de moderne kosmologie. De CMB is over het algemeen extreem uniform, maar er zijn zeer subtiele temperatuurschommelingen, die 'anisotropie' worden genoemd. De belangrijkste is de ‘dipoolanisotropie’: de lucht is aan de ene kant iets warmer en aan de andere kant iets koeler. Lange tijd hebben wetenschappers dit beeld geïnterpreteerd alsof het zonnestelsel beweegt ten opzichte van het ‘stationaire referentiekader’ van het universum, wat resulteert in een temperatuurverschil dat vergelijkbaar is met het Dopplereffect.
Als deze verklaring waar is, zou de verdeling van materie in extreem verre sterrenstelsels en quasars ook een dipoolpatroon moeten vertonen dat vergelijkbaar is met dat van de CMB. Dit idee werd in de jaren tachtig voorgesteld door kosmologen George Ellis en John Baldwin en werd later de 'Ellis-Baldwin-test' genoemd. Volgens de verwachtingen van het standaardmodel moeten de richting en intensiteit van de materiaalverdelingsdipool in lijn zijn met de CMB-dipool en behoorlijk consistent zijn. Uit nieuw onderzoek is echter gebleken dat, hoewel de richtingen inderdaad over het algemeen consistent zijn, er een ernstige discrepantie bestaat in de "omvang": de dipoolsterkte die wordt waargenomen in de verspreiding van verre materie overtreft ruimschoots de voorspellingen van bestaande kosmologische modellen.
Om dit verschil diepgaand te onderzoeken, analyseerde het onderzoeksteam gegevens van meer dan 1,4 miljoen quasars en ongeveer 500.000 radiobronnen. De resultaten toonden aan dat de statistische significantie van dit abnormale signaal de 5σ ("Five Sigma")-norm heeft overschreden - wat betekent dat de kans dat het puur willekeurig toeval is extreem laag is, ongeveer slechts één op 3,5 miljoen. Op het gebied van de deeltjesfysica en kosmologie wordt 5σ gewoonlijk beschouwd als de drempel voor "ontdekking". Het Europees Centrum voor Nucleair Onderzoek (CERN) heeft dezelfde standaard ook overgenomen toen het de ontdekking van het Higgsdeeltje aankondigde. Professor Subir Sarkar van de Universiteit van Oxford, co-auteur van het onderzoek, zei ronduit: "Deze kwestie kan niet langer worden genegeerd. De geldigheid van de FLRW-metriek zelf is nu twijfelachtig!"
De zogenaamde FLRW-metriek, genoemd naar de vier wetenschappers Friedmann, Lemaître, Robertson en Walker, is de wiskundige basis voor het beschrijven van het uitdijende heelal in het kader van Einsteins algemene relativiteitstheorie. Deze maatstaf is ook gebaseerd op de veronderstelling dat "het universum op grote schaal uniform en isotroop is" en vormt de kernpijler van het standaard kosmologische model van ΛCDM. Als waarnemingen uiteindelijk bevestigen dat het universum op grote schaal systematisch asymmetrisch is, dan is de algehele structuur van het universum, beschreven op basis van de FLRW-hypothese, mogelijk niet langer accuraat.
Dit is niet alleen een kwestie van wiskundig gepruts, maar heeft ook rechtstreeks invloed op de status van sleutelbegrippen als ‘donkere energie’. Het huidige standaardmodel gaat ervan uit dat donkere energie ongeveer 70% van de totale energie van het universum uitmaakt en een sleutelfactor is bij het verklaren van de versnelde uitdijing van het universum. Donkere energie is tot nu toe echter op het niveau van de ‘hypothese’ gebleven en is niet bevestigd door directe fysieke experimenten. Als het universum zelf niet echt isotroop is, zullen sommige van de waarnemingen die geïnterpreteerd worden als ‘bewijs van donkere energie’ waarschijnlijk feitelijk voortkomen uit onjuiste aannames over de geometrie en grootschalige structuur van het universum, in plaats van uit een extra fysieke component. Onderzoeker Sebastian von Hausegger merkte op: "Als in het isotrope referentiesysteem van de CMB het verre hemellichaam zelf niet isotroop is, zou dat een directe schending zijn van de principes van de kosmologie... Dat betekent dat we terug moeten naar het beginpunt en opnieuw moeten beginnen."
Interessant genoeg heeft de “kosmische dipoolanomalie” tot nu toe veel minder aandacht gekregen, vergeleken met de kwestie van de ‘Hubble-spanning’ die breed is besproken in de publieke belangstelling. De zogenaamde Hubble-spanning verwijst naar de duidelijke afwijking tussen de twee belangrijkste reeksen meetmethoden van de uitdijingssnelheid van het universum (Hubble-constante): de waarde die wordt geschat op basis van signalen uit het vroege universum, zoals de CMB, is aanzienlijk lager dan de schatting van het 'late universum', gebaseerd op observaties van nabijgelegen supernova's en sterrenstelsels. Maar de belangrijkste uitdaging van de Hubble-spanning is de precieze waarde van de uitdijingssnelheid van het universum; deze dipoolafwijking wijst daarentegen op een fundamenteler punt: of het universum werkelijk ‘statistisch uniform’ is op de grootste schaal.
Er wordt verwacht dat de komende jaren een aantal grote astronomische observatieprojecten belangrijk bewijs voor deze controverse zullen opleveren. De Euclid-satelliet van het European Space Agency brengt de driedimensionale verdeling van miljarden sterrenstelsels in kaart om donkere energie en de grootschalige structuur van het universum te bestuderen. NASA's SPHEREx-missie zal de hele hemel in infrarode golflengten scannen op aanwijzingen voor de vorming van sterrenstelsels en de oorsprong van de kosmische structuur. Het Vera C. Rubin Observatorium in Chili zal de zuidelijke hemel blijven scannen om donkere materie en verschillende voorbijgaande hemelse gebeurtenissen te bestuderen; en de Square Kilometre Array (SKA), een zeer grote radiotelescoop gebouwd in internationale samenwerking, zal de grootschalige structuur van het universum met ongekende gevoeligheid analyseren. Tegelijkertijd wordt verwacht dat nieuwe methoden zoals machinaal leren wetenschappers ook zullen helpen nieuwe kosmologische modellen te bouwen die deze ‘afwijkende waarnemingen’ kunnen verklaren.
Voorlopig is het belangrijkste signaal uit dit onderzoek dat het universum wellicht veel complexer is dan we dachten – dat het misschien niet zo eenvoudig, symmetrisch en uniform is. Als vervolgobservaties deze bevindingen verder bevestigen, zullen mensen niet alleen het huidige standaard kosmologische model opnieuw moeten onderzoeken, maar misschien zelfs het hele begrip van de rol van donkere energie in de evolutie van het universum moeten herschrijven.