Sinds begin negentiger jaren van vorige eeuw ontdekt werd dat sterrenstelsels zich steeds sneller van ons verwijderen, zitten kosmologen met de handen in het haar. Wat levert de enorme energie ie nodig is om de zwaartekracht te overwinnen? Volgens een nieuwe theorie: magnetisme. Om precies te zijn: twee bizarre typen fotonen die volgens Maxwell’s vier vergelijkingen kunnen bestaan, maar in de klassieke natuurkunde onmogelijk zijn en nog nooit waargenomen zijn…
Artist impression van een foton. Bestaan er nog meer soorten fotonen dan de tot nu toe bekende soort?
Waar kosmologen vroeger nog geloofden dat ons heelal door de zwaartekracht weer ineen zal storten, weten we nu aan de hand van waarnemingen dat het heelal steeds sneller aan het uitzetten is. Over tientallen miljarden jaren zien onze verre nazaten alleen de Melkweg, dan samengesmolten met het Andromedastelsel, en de andere stelsels van onze lokale Virgo-supercluster. De rest van het heelal raast dan met moordend tempo, schijnbaar hoger dan de lichtsnelheid, van ons weg weg. De populairste verklaring benut Einsteins ooit verfoeide kosmologische constante, lambda. Deze constante levert ongeveer een halve joule energie per kubieke kilometer. Deze constante, donkere energie gedoopt, is wiskundig handig, maar biedt geen fysische verklaring. Nog erger: de mechanismes die zijn voorgesteld leverden respectievelijk 120 ordes van grootte te hoge waarden (waardoor het heelal onmiddellijk zou instorten tot een zwart gat) of en waarde nul. Sommigen denken aan een afstotende werking van lege ruimte, anderen aan veranderingen in de zwaartekrachtswetten op zeer grote schaal. Elke theorie heeft ernstige nadelen. Twee kosmologen hebben echter een interessant alternatief gevonden. Hierbij maken ze gebruik van een bizarre, tot nu toe massaal genegeerde oplossing van het stelsel van de vier differentiaalvergelijkingen van Maxwell.
Bizarre fotonen
We kennen allemaal de huis- tuin- en keukenvariant van licht. Lichtdeeltjes (fotonen) bestaan uit een trillend elektrisch veld, dat weer een magnetisch veld opwekt, dat weer een (nu tegengesteld) elektrisch veld opwekt etc.
Toen kosmologen Beltrán en Maroto probeerden de donkere energie te verklaren door met de vergelijkingen te spelen ie de virtuele deeltjes in vacuüm beschreven, ontdekten ze iets opvallends. De vergelijkingen leken sprekend op die van elektromagnetisme. Om precies te zijn, op die van de verreweg nauwkeurigste fysische theorie ooit: quantum elektrodynamica (QED). QED heeft een geheimzinnige eigenschap waar natuurkundigen gewoonlijk met een grote boog omheen lopen omdat ze nog nooit zijn waargenomen. QED voorspelt namelijk dat er naast ‘normale’ fotonen, ook twee bizarre fotonen voorkomen die rechtstreeks uit en science fiction boek lijken te komen. In de eerste soort wijst het elektrische veld in de richting van het foton, in plaats van een rechte hoek te maken (zoals met normale fotonen). Dit foton, de longitudinale modus, lijkt dus veel op een soort drukgolf, zoals geluidsgolven of (!) zwaartekrachtsgolven.
De tweede soort, de temporale modus, kent geen magnetisch veld, omdat het niet verandert in de tijd. Het is een golf van pure elektrische potentiaal, een voltage. Er is alleen een probleem met deze fotonen. Ze zijn nog nooit waargenomen. Dus bedachten natuurkundigen een manier om ze te verstoppen. Deze truc heet de Lorenz-ijk. Ze bestaan wel, maar heffen elkaar altijd exact op. In de theorie van Beltrán en Maroto ontbrak deze Lorenz-ijk. De vreemde golven die gewoonlijk worden verboden door de Lorenz-ijk, kwamen even tot leven als virtuele golven in het vacuüm. Tijdens de inflatiefase van het heelal (een extreem snelle uitzetting in een fractie van een seconde) werden deze kwantumfluctuaties enorm sterk vergroot. Dit veroorzaakte uiteindelijk de dichtheidsverschillen die leidden tot de vorming van melkwegstelsels, aldus de theorie. Zou dit ook gebeurd kunnen zijn met de gewoonlijk ‘verboden’ golven? Dit biedt in ieder geval een verklaring voor de raadselachtige magneetvelden tussen melkwegstelsels die uit het niets lijken te komen. De temporele modi worden zo uitgerekt dat ze niet meer als golven herkenbaar zijn. Hun energie blijft echter. Donkere energie?
Donker magnetisme
Beltrán en Maroto noemen hun idee donker magnetisme. Zeer opmerkelijk: met hun theorie kan ook een waarde voor de ‘kosmologische constante’ gekozen worden die binnen factor tien van de gemeten waarde ligt. Kort na het ontstaan van het heelal vormden de elektromagnetische kracht en de zwakke kernkracht één elektrozwakke kracht. Het uiteenvallen van deze kracht als gevolg van het dalen van de temperatuur (de elektrozwakke transitie) zou dan de inflatie op gang gebracht kunnen hebben. Als dit inderdaad klopt, zo volgt uit de berekeningen van Beltrán and Maroto, dan ontstaan temporele modi met een energiedichtheid die dicht bij die van donkere energie ligt. Een enorme verbetering vergeleken met de 120 nullen van voorheen, ook wel de slechtste natuurkundige voorspelling ooit gedoopt.
Extreem sterk zwaartekrachtsveld
Temporele en longitudinale modi kunnen alleen worden opgewekt door een extreem sterk zwaartekrachtsveld, zoals dat rond een zwart gat of het afstotende veld in het inflatietijperk. Dit is ook de reden volgens beide auteurs dat er geen afwijkingen in kwantumelektrodynamica zijn aangetroffen en de theorie extreem nauwkeurig is. We kunnen deze extreem sterke zwaartekrachtvelden niet opwekken in een lab. Wat we wel kunnen is (via de Planck satelliet van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA) sporen ontdekken van de polarisatie van de microgolven van kosmische achtergrondstraling, die ons meer kan vertellen over de timing en verloop van de inflatiefase. Vond de inflatie plaats voordat de elektrozwakke kracht uiteenviel, dan is hiermee aangetoond dat de donkere magnetisme theorie niet klopt.
Er zijn nog andere methoden om aan extra bewijs te komen. In de verre toekomst zullen er radiotelescopen op honderden miljoenen kilometers afstand van elkaar over het zonnestelsel verspreid zijn. Voldoende ver van elkaar om de extreem grote longitudinale modi waar te nemen. Als inflatie optrad voor de splitsing van de elektromagnetische en zwakke kracht, zouden deze longitudinale golven veel kleiner zijn en ook waarneembaar door een kleinere radiotelescoop, zoals de Square Kilometre Array, over enkele jaren voltooid. Klopt de theorie dat deze exotische fotonen door extreme zwaartekrachtvelden worden opgewekt, dan zijn ook zwarte gaten een bron van golven. Wel zullen deze bijna onzichtbaar zwak zijn. Beltrán and Maroto zijn nu aan het rekenen om tot een toetsbare voorspelling te komen.
Heelal onder hoogspanning
Deze uitrekking van de temporale golven heeft nog een bizar effect. Ons heelal blijkt als het gevolg van de uitzetting onder hoogspanning te staan. Beide kosmologen berekenden dat als hun theorie klopt, ons heelal een spanning kent rond de 1027 ( 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000) volt. Ter vergelijking: de hoogste spanning ooit bereikt in een lab zijn enkele tientallen miljoenen volt, een bliksemflits vindt plaatsover een miljard volt. Deze spanning is zo hoog dat zelfs ruimtetijd uit elkaar getrokken wordt, dus als de theorie klopt en als ons heelal met een ander heelal in aanraking komt, zal een allesvernietigende bliksemflits weinig overlaten van ons heelal. Wel komt er dan zoveel energie vrij dat hieruit veel nieuwe materie geschapen wordt. En, wie weet, een nieuw leefbaar heelal ontstaat…
Bron
Jose Beltran Jimenez en Antonio L. Maroto, The Dark Magnetism of the Universe, ArXiv preprint server (2011)
