Donkere energie: het mysterieuze duwtje achter een groeiend heelal
Stel je voor dat je een handvol rozijnen in deeg voor een rozijnenbrood stopt en het deeg laat rijzen. Terwijl het deeg uitzet, bewegen alle rozijnen van elkaar vandaan, ongeacht waar ze zitten. Zoiets gebeurt met sterrenstelsels in het heelal: de ruimte zelf zet uit en stelsels drijven met die ruimte mee steeds verder uit elkaar. Het vreemde is dat dit uitdijen niet vertraagt, zoals je zou verwachten door de zwaartekracht van al die massa, maar juist versnelt. Iets duwt de rozijnen sneller en sneller uit elkaar. Dat "iets" noemen wetenschappers donkere energie.
Donkere energie is geen technologie en geen apparaat, maar een naam voor een raadsel: een onbekende vorm van energie die zo'n 68 procent van al het energie- en materie-gehalte van het heelal zou uitmaken, en die verantwoordelijk lijkt voor de versnelde uitdijing van de ruimte. Niemand heeft donkere energie ooit direct waargenomen of aangeraakt; we zien alleen het effect ervan op de beweging van sterrenstelsels. Het is daarmee een van de grootste openstaande vragen in de natuurkunde, en de reden dat er wereldwijd grote telescopen en satellieten worden gebouwd om er meer over te weten te komen.
Wat is het precies?
Het verhaal begint bij de zwaartekracht. Alle materie in het heelal trekt aan elkaar. Je zou daarom verwachten dat het heelal, dat sinds de oerknal uitdijt, door die onderlinge aantrekking steeds langzamer zou uitdijen — een beetje zoals een bal die je omhooggooit, afremt door de zwaartekracht van de aarde.
In 1998 ontdekten twee onafhankelijke teams van astronomen, met behulp van waarnemingen van verre supernova's (exploderende sterren die als "standaardkaarsen" dienen omdat ze een bekende helderheid hebben), dat het tegenovergestelde gebeurt. De uitdijing van het heelal versnelt juist. Deze ontdekking leverde Saul Perlmutter, Brian Schmidt en Adam Riess in 2011 de Nobelprijs voor de Natuurkunde op.
Om die versnelling te verklaren, moet er een kracht of energievorm zijn die de aantrekking van de zwaartekracht overstijgt en de ruimte als het ware van binnenuit opblaast. De eenvoudigste verklaring, voorgesteld door Albert Einstein al in 1917 (toen nog om een heel andere reden), is de kosmologische constante: een vaste hoeveelheid energie die inherent aanwezig is in de lege ruimte zelf, ook wel "vacuümenergie" genoemd. Hoe meer ruimte er ontstaat door uitdijing, hoe meer van deze energie er is, en hoe harder de uitdijing versnelt.
Een alternatieve verklaring heet quintessence: een energieveld dat, anders dan de kosmologische constante, in de loop van de tijd van sterkte kan veranderen. Er bestaan ook theorieën die stellen dat er helemaal geen donkere energie nodig is, maar dat onze wetten van de zwaartekracht op de allergrootste schaal net iets anders werken dan Einsteins algemene relativiteitstheorie voorspelt. Welke van deze verklaringen (of nog een andere) juist is, weet niemand zeker.
Wat wil men ermee bereiken?
Het doel van onderzoek naar donkere energie is in de kern heel fundamenteel: begrijpen waar ons heelal uit bestaat en welke toekomst het tegemoet gaat. Met bekende materie — sterren, planeten, gas, stof — kunnen we slechts zo'n 5 procent van de totale energie-inhoud van het heelal verklaren. Nog eens 27 procent bestaat vermoedelijk uit donkere materie (een ander mysterie, dat niets met donkere energie te maken heeft behalve de verwarrende naam). De resterende 68 procent is donkere energie. Kortom: het overgrote deel van het heelal is onbekend terrein.
Wetenschappers willen precies meten hoe de uitdijing van het heelal door de miljarden jaren heen is veranderd. Is de kracht achter de versnelling constant gebleven, zoals de kosmologische constante voorspelt? Of wordt hij sterker of juist zwakker naarmate de tijd verstrijkt, zoals quintessence-modellen suggereren? Het antwoord bepaalt niet alleen ons begrip van het verleden, maar ook van de verre toekomst: blijft het heelal voor altijd uitdijen tot sterrenstelsels uiteindelijk niet meer met elkaar in contact kunnen komen (een scenario dat wel de "Big Freeze" wordt genoemd), of gebeurt er iets heel anders?
Daarnaast hoopt men dat een beter begrip van donkere energie licht werpt op de relatie tussen zwaartekracht en kwantummechanica, twee theorieën die op dit moment niet goed met elkaar te verenigen zijn. Donkere energie raakt dus aan enkele van de diepste vragen in de fysica.
Voorbeelden uit de praktijk
Hoewel donkere energie zelf niet zichtbaar is, wordt er wereldwijd met grote precisie-instrumenten naar de effecten ervan gezocht.
De Dark Energy Survey (DES), een samenwerkingsproject dat tussen 2013 en 2019 waarnemingen deed met een telescoop in Chili, bracht de positie en vorm van honderden miljoenen sterrenstelsels in kaart om de verdeling van materie en de uitdijingsgeschiedenis van het heelal te reconstrueren.
Sinds 2021 verzamelt het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI), gemonteerd op de Mayall-telescoop in Arizona (VS), spectra van tientallen miljoenen sterrenstelsels en quasars. DESI meet zogeheten baryonakoestische oscillaties: subtiele, regelmatige patronen in hoe sterrenstelsels zich over de ruimte verdelen, die functioneren als een soort kosmische meetlat.
De Europese ruimtevaartorganisatie ESA lanceerde in 2023 de Euclid-satelliet, die vanaf een punt op anderhalf miljoen kilometer van de aarde miljarden sterrenstelsels fotografeert om zowel donkere energie als donkere materie te bestuderen via de vervorming van sterrenstelselvormen door zwaartekracht ("gravitational lensing").
In de Verenigde Staten begon in 2025 het Vera C. Rubin Observatory in Chili met waarnemingen voor zijn tienjarige "Legacy Survey of Space and Time", waarbij elke paar dagen de hele zichtbare hemel wordt gefotografeerd.
Ook de Nancy Grace Roman Space Telescope van NASA, met een geplande lancering rond 2027, is specifiek ontworpen om grootschalige kosmologische metingen te doen die relevant zijn voor donkere energie.
Hoe ver is de techniek?
Er is de afgelopen decennia enorme vooruitgang geboekt in het meten van de effecten van donkere energie, maar de aard ervan blijft onopgehelderd. Tot voor kort pasten alle metingen goed bij het eenvoudigste model: een constante kosmologische constante, onderdeel van het zogeheten Lambda-CDM-model dat de standaardbeschrijving van het heelal vormt.
In 2024 en 2025 publiceerde het DESI-team echter resultaten die voor opschudding zorgden: hun metingen van baryonakoestische oscillaties, gecombineerd met andere data, laten mogelijk zien dat de sterkte van donkere energie in de loop van de kosmische geschiedenis is veranderd, in plaats van constant te zijn gebleven. Dit zou, als het klopt, duiden op iets als quintessence in plaats van een simpele kosmologische constante. De onderzoekers zelf benadrukken nadrukkelijk dat het nog geen definitief bewijs is: de statistische zekerheid ligt op een niveau dat in de natuurkunde nog niet als "ontdekking" geldt, en meer data van instrumenten als DESI, Euclid en Rubin zijn nodig om te bevestigen of het signaal standhoudt of weer verdwijnt.
Kortom, we bevinden ons in een fase van intensief meten en verzamelen van gegevens, waarbij elk jaar de precisie toeneemt, maar een sluitend antwoord op de vraag "wat is donkere energie" nog niet is gevonden. Het belangrijkste obstakel is niet technisch onvermogen om te meten, maar de extreme subtiliteit van het signaal: de verschillen tussen concurrerende theorieën zijn klein en vereisen waarnemingen van miljarden sterrenstelsels over enorme kosmische afstanden en tijdspannes om betrouwbaar te kunnen onderscheiden.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar donkere energie is bij uitstek internationaal en wordt gedragen door grote samenwerkingsverbanden in plaats van individuele bedrijven. In de Verenigde Staten speelt het Department of Energy, via het Lawrence Berkeley National Laboratory, een centrale rol bij DESI, in samenwerking met tientallen universiteiten wereldwijd. NASA is verantwoordelijk voor de Nancy Grace Roman Space Telescope en draagt bij aan meerdere andere missies.
In Europa coördineert de European Space Agency (ESA) de Euclid-missie, met bijdragen van nationale ruimteagentschappen en honderden onderzoeksinstituten in landen als Frankrijk, Duitsland, Italië en Nederland (onder meer via de Universiteit Leiden en SRON, het Nederlands instituut voor ruimteonderzoek).
Het Vera C. Rubin Observatory in Chili is een samenwerking tussen de Amerikaanse National Science Foundation en het Department of Energy, met internationale partners. Daarnaast dragen particuliere universiteiten en academies bij, zoals de University of Chicago, Fermilab, en de Kavli-instituten voor kosmologie in onder meer Cambridge en Stanford. Ook China en Japan investeren in eigen kosmologische waarnemingsprogramma's die relevant zijn voor donkere-energieonderzoek.