Dynamische donkere energie en de week die de kosmologie brak

In 2025 zorgde DESI voor ophef door te suggereren dat donkere energie evolueert. Katie Mack, Hawking Chair in Cosmology and Science Communication aan het Perimeter Institute, neemt ons mee door de commotie, de geschiedenis en wat er nu volgt.

20 augustus 2026

De aankondiging van het seminar noemde het "de week die de kosmologie brak".

In maart 2025 schudde een artikel van het Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) de kosmologische wereld wakker door overtuigend bewijs te presenteren voor een fundamentele verandering in ons begrip van het universum.

Sinds het einde van de jaren 90 weten kosmologen dat het universum niet alleen uitdijt, maar dat deze uitdijing versnelt. De ontdekking van de uitdijing zelf dateert al uit de jaren 20, toen astronomen zagen dat verre sterrenstelsels zich sneller van ons bewogen – precies het gedrag dat men zou verwachten als het kosmos overal uniform groter zou worden. De aanname in die tijd was dat de oerknal de uitdijing in gang had gezet en dat de zwaartekracht die uitdijing nu zou moeten vertragen. Toen twee groepen waarnemers in 1998 aantoonden dat de uitdijing in werkelijkheid versnelde, veroorzaakte dit een revolutie in ons begrip van de kosmos. In plaats van een universum dat alleen gevuld is met de gebruikelijke materie en energie — die beide de uitdijing via zwaartekracht zouden vertragen — moest er een extra component zijn die het universum actief uitrekt. De naam die aan deze nieuwe eigenschap werd gegeven was "donkere energie". Ondanks het feit dat dit volledig onverwacht was, hadden astronomen een goede hypothese over wat het zou kunnen zijn, een idee dat teruggaat tot Albert Einstein.

Voordat astronomen over goede genoeg waarnemingen beschikten om zeker te weten dat er andere sterrenstelsels bestonden, leek het erop dat het universum eeuwig en onveranderlijk moest zijn. Maar dat bracht een probleem met zich mee: waarom had de zwaartekracht alles niet in één grote klomp getrokken? Einstein, die werkte aan zijn vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie om de invloed van zwaartekracht op materie en ruimte (en vice versa) te beschrijven, stelde een verklaring voor over wat er zou kunnen zijn dat de sterren uit elkaar hield. Hij voegde een nieuwe term toe om de naar binnen gerichte trek van de zwaartekracht in balans te brengen, die hij de kosmologische constante noemde. Deze term beschreef een inherente eigenschap van de ruimtetijd die deze een neiging gaf om uit te rekken, zodat de ruimte tussen klompen materie hun gravitationele aantrekkingskracht kon weerstaan. Toen waarnemers in de jaren 20 uiteindelijk ontdekten dat het universum daadwerkelijk uitdijde in plaats van statisch te blijven, realiseerde Einstein zich dat de term overbodig was. De kosmos stortte niet in omdat hij nog steeds in het proces van uitdijing was vanuit de oerknal. Hij gooide de term weg als een fout.

Als we verspringen naar de ontdekking van de versnelling in 1998, werd de kosmologische constante breed geaccepteerd als een voor de hand liggende kandidaat voor de mysterieuze donkere energie. Alle waarnemingen leken consistent met het idee dat de uitdijing in het relatief recente kosmische verleden begon te versnellen, omdat de materie toen voldoende diffuus was geworden waardoor de kosmologische constante de gravitationele touwtrekwedstrijd begon te winnen. Terwijl de algemene dichtheid van materie afnam door de toenemende grootte van de ruimte, bleef de kosmologische constante een kenmerk van de gehele ruimte, waardoor de dichtheid ervan gelijk bleef. Dit betekende dat het de ruimte kon blijven uitrekken terwijl de zwaartekracht van materie steeds minder belangrijk werd. Nu, in plaats van sterrenstelsels alleen maar tegen elkaar in te laten vallen, zorgde het er actief voor dat de uitdijing versnelde.

Bijna drie decennia lang hebben kosmologen deze hypothese vanuit elke hoek getest. Als donkere energie een kosmologische constante is, zou deze in de loop van de tijd niet krachtiger of minder krachtig moeten worden — de invloed op de evolutie van de kosmos zou volledig bepaald moeten worden door de algemene dichtheid van materie en energie naarmate de kosmos uitdijt, via de Friedmann-vergelijkingen. Gezien de data werkte de hypothese van de kosmologische constante zo goed dat het een hoeksteen werd van het concordantiemodel van de kosmologie, in het vakgebied vaak aangeduid als $\Lambda$CDM. Hier staat $\Lambda$ voor de Griekse letter (Lambda) die wordt gebruikt om de kosmologische constante in Einsteins vergelijkingen aan te duiden, en CDM staat voor Cold Dark Matter (koude donkere materie) — de onzichtbare materie die het steigerwerk vormt waarop sterrenstelsels en de grootschalige structuur van het universum lijken te zijn gebouwd.

In recente jaren is het echter onmogelijk geworden om de schijnbare onenigheid tussen $\Lambda$CDM en nieuwe kosmologische data te negeren.

Ten eerste was er de Hubble-spanning (Hubble tension). Verschillende metingen van de huidige uitdijingssnelheid van het universum — een parameter die we $H_0$ noemen — hebben verschillende resultaten opgeleverd, om redenen die niemand tot nu toe bevredigend heeft kunnen verklaren. Met behulp van data van de kosmische achtergrondstraling (CMB), het achtergrondlicht dat bij ons aankomt uit de laatste stadia van de oerknal, gecombineerd met onze kosmologische vergelijkingen, kunnen we een hogere huidige uitdijingssnelheid afleiden dan wat we krijgen uit data van surveys naar supernova's in het nabije universum. Het is nog niet duidelijk hoe dit verschil moet worden opgelost, maar als het niet te wijten is aan een onbekende bias in de data, is het een grote uitdaging voor de robuustheid van $\Lambda$CDM zelf.

Dan is er het probleem van de neutrinomassa. Spookachtige neutrino's, kleine deeltjes geproduceerd bij stellaire fusie en andere hoogenergetische astrofysische processen, dragen een minuscule hoeveelheid bij aan de totale materie in het universum, maar hebben meetbare effecten op de structuur en distributie van sterrenstelsels in de kosmos. Maar zodra we sterrenstelsel-surveys ontwikkelden die gevoelig genoeg waren om deze effecten te meten — wat ons iets had moeten vertellen over neutrinomassa's — kregen we resultaten die volkomen onzinnig leken. Het meenemen van neutrino's in de data-analyse leek het tegenovergestelde effect te hebben dan verwacht, waardoor kosmologen het resultaat aanduidden als "negatieve neutrinomassa's". Om duidelijk te zijn: voor zover ik weet, denkt niemand echt dat de massa van een neutrino negatief kan zijn. In plaats daarvan laat deze shorthand zien dat de analyse om de een of andere reden niet werkt. Misschien schuilt er nieuwe fysica in de data die het gedrag van neutrino's imiteert. Een mogelijke boosdoener zou een verandering in donkere energie kunnen zijn.

Dit brengt ons terug bij dat explosieve DESI-resultaat uit 2025. In hun resultaten van de tweede datarelease (DR2) toonde het DESI-team aan dat hun analyse sterk de voorkeur gaf aan een versie van donkere energie die inconsistent is met een kosmologische constante. In plaats daarvan was de beste passing bij de data een soort dynamische donkere energie — iets dat de oorzaak kan zijn van de kosmische versnelling, maar dat in de loop van de tijd minder krachtig lijkt te worden. Hoewel het resultaat net niet voldeed aan de gouden standaard voor een ontdekking (een bewijsdrempel die we 5 sigma noemen), was het voldoende om schokgolven door de wereldwijde kosmologische gemeenschap te sturen.

DESI is een internationaal project dat wordt geleid door astronomen van over de hele wereld en primair wordt gefinancierd door het Office of Science van het Amerikaanse Department of Energy. Hoewel de telescoop zelf in de VS staat, is de Canadese betrokkenheid groot. Will Percival, Associate Faculty aan Perimeter en co-woordvoerder van DESI, leidt een onderzoeksgroep aan het Waterloo Centre for Astrophysics van de Universiteit van Waterloo die wetenschappelijke analyses uitvoert op de DESI-resultaten. Ook Dustin Lang, Computational Scientist aan Perimeter, werkt met het DESI-team aan survey-operaties en data-analyse.

Wat betreft de werking van het instrument: de primaire taak is het creëren van een driedimensionale kaart van de sterrenstelsels in ons (vrij grote) hoekje van het universum. Dit gebeurt door spectra te maken van tientallen miljoenen sterrenstelsels en de aanwijzingen in dat spectrale licht te gebruiken om precies te bepalen waar de stelsels zich in de ruimte bevinden en hoe ze zich ten opzichte van ons bewegen. Dit laatste deel is belangrijk: naarmate het universum uitdijt, wordt het licht van verre objecten uitgerekt in een proces dat kosmologische roodverschuiving wordt genoemd. (Voor optisch licht, zoals DESI ziet, verschuift het hele spectrum naar het rode deel van het elektromagnetisch spectrum.) Hoe verder een object in de ruimte staat, hoe meer de uitdijing van de ruimte het licht uitrekt, en hoe hoger de gemeten roodverschuiving is. Objecten in de buurt hebben een roodverschuiving van 0, en de verste sterrenstelsels die ooit zijn waargenomen — enkele van de vroegste sterrenstelsels in het universum — hebben roodverschuivingen rond de 14. DESI kan sterrenstelsels waarnemen met roodverschuivingen tot ongeveer 1,6 en quasars (de lichtgevende kernen van actieve sterrenstelsels) tot roodverschuivingen van 3,5. Dit betekent dat hun licht volledig door het zichtbare spectrum is uitgerekt en in het infrarood terechtkomt. Deze objecten zijn zo ver weg dat hun licht ongeveer 12 miljard jaar heeft gereisd, wat betekent dat ze ons een tijd laten zien waarin het universum slechts een fractie van zijn huidige leeftijd had.

Hoewel de sterrenstelsels en quasars zelf een ongelooflijke dataset vormen, zijn ze niet de belangrijkste attractie van de DESI-survey. De meest opwindende resultaten van DESI komen voort uit de meting van baryon acoustic oscillations (BAO). In het vroege universum, diep in het stralingsestijdperk, was het hete plasma dat de kosmos vulde zo dicht dat het "zoemde". Sommige delen van de kosmos bevatten zwaartekrachtsputten met een overvloed aan donkere materie, terwijl andere diffuser waren. De donkere materie in de dichtere regio's probeerde het plasma vast te houden, maar de druk van de snel bewegende deeltjes verzette zich tegen de instorting. Het resultaat was een oscillatie, waarbij de hete "baryonische" gewone materie naar binnen werd getrokken maar vervolgens terugkaatste van de klompen donkere materie door de druk van het plasma. Wanneer het universum voldoende was uitgebreid om het plasma te laten afkoelen en de gewone materiedeeltjes konden vertragen, liet de drukgolf van het terugkaatsende plasma een afdruk achter op de distributie van materie in de hele kosmos. De meeste materie is nog steeds te vinden in klompen dicht bij waar de dichtheid van donkere materie aanvankelijk piekte, maar de drukgolf van het plasma creëerde een resterende schil van materie op een vaste afstand van elke piek, bevroren op het moment dat het universum overging van een door straling gedomineerd stadium naar een rustiger, koeler universum dat voornamelijk uit materie bestond. De fysieke grootte van die schil wordt bepaald door de fysica van gas en zwaartekracht. Gezien vanaf nu geeft dit ons een soort "kosmische meetlat" die direct in de data is ingebed, die we kunnen gebruiken om ongelooflijk precieze kaarten te maken van de grootschalige distributie van materie in het universum. Door de posities van sterrenstelsels op verschillende afstanden (en dus op verschillende tijdstippen) te meten, kunnen astronomen deze BAO-signatuur gebruiken om te meten hoe de kosmos in het verleden uitdijde, tot miljarden jaren geleden.

Het is belangrijk om te onthouden dat er veel analyse komt kijken bij het omzetten van de DESI-metingen van sterrenstelselspectra naar conclusies over de uitdijingsgeschiedenis van de kosmos. Een deel van die analyse houdt in dat de sterrenstelsels zelf begrepen moeten worden en dat er gecorrigeerd moet worden voor diverse potentiële systematische fouten in de data. Daarnaast worden andere datasets betrokken om de metingen te kalibreren en gaten in fysieke of astrofysische aannames op te vullen. In hun DR2-resultaten nam het DESI-team data van CMB-sondes mee (om het vroege gedrag van het universum beter te begrijpen en extra informatie over BAO's te krijgen) en supernova-surveys (om de uitdijingsgeschiedenis bij lage roodverschuivingen in te vullen, waar BAO's moeilijk te detecteren zijn). En hoewel het waar is dat de uitdijingssnelheid met de juiste modellering uit de BAO-metingen kan worden afgeleid, vereist de specifieke koppeling naar donkere energie een paar extra stappen. Deze kanttekeningen zijn belangrijk, want terwijl kosmologen de schokkende DESI-resultaten onderzoeken en herevalueren, zijn dit de punten waar we zullen kijken om te bepalen of de conclusies echt robuust zijn.

Er zit ook een subtiliteit in de formulering van de wetenschappelijke vraag zelf. Het hoofddoel van DESI was om vast te stellen of donkere energie werkelijk een kosmologische constante is, in tegenstelling tot iets dat in de loop van de tijd kan variëren. Dat is echter lastig, want terwijl we precies weten wat een kosmologische constante met de uitdijingssnelheid doet (ervan uitgaande dat we begrijpen hoe materie zich gedraagt), zou iets dat geen kosmologische constante is, theoretisch alles kunnen doen. Om daadwerkelijk kwantitatieve resultaten te krijgen, moet men het gedrag van donkere energie dus op een bepaalde manier parametriseren en vervolgens de afwijking van een constante meten.

De gebruikelijke karakterisering die we voor donkere energie gebruiken, is gebaseerd op de toestandsvergelijking-parameter (equation of state parameter). Dit getal, aangeduid als $w$, is de verhouding tussen de druk van een substantie en de energiedichtheid ervan. Voor donkere materie, waar het grootste deel van de materie in het universum uit bestaat, is $w=0$, omdat het helemaal geen druk heeft. Voor een kosmologische constante, die een negatieve druk heeft, is $w=-1$ in de relevante eenheden. Door enkele standaard aannames te maken over de toestandsvergelijking van de materie en straling en hoe dit alles in een kosmologisch model past, is het mogelijk om specifiek de toestandsvergelijking voor donkere energie af te leiden. Vóór DESI was deze $w$ over het algemeen consistent met -1, met enkele variaties tussen verschillende waarnemingen. En bekeken op zichzelf zijn de resultaten van DESI eveneens consistent met $w=-1$ voor donkere energie.

Als donkere energie echter varieert met de tijd, is het denkbaar dat de toestandsvergelijking-parameter vandaag $w=-1$ is, maar in het verleden anders was. Om die mogelijkheid te ondervangen, overwegen kosmologen een soort donkere energie die wordt gekenmerkt door zowel de waarde van $w$ vandaag, die we $w0$ noemen, als een getal dat aangeeft hoe het in de tijd varieert, genaamd $wa$. Als $wa=0$, is $w$ constant op de $w0$-waarde die we vandaag meten. Als $wa$ positief is, betekent dit dat donkere energie in de loop van de tijd krachtiger wordt; als het negatief is, neemt de kracht af (ook wel "thawing" genoemd). Dit wordt de CPL-parametrisering genoemd, en het wordt gewoonlijk geschreven als $w(a) = w0 + wa(1-a)$, waarbij $a=1/(1+z)$ de schaalfactor van het universum is (gerelateerd aan de grootte over tijd) en $z$ de roodverschuiving is. Wat de resultaten van DESI lieten zien, was dat wanneer variatie in $w$ werd overwogen, de data een voorkeur hadden voor een waarde van $w0$ die grotendeels consistent is met -1, maar een $w_a$ die ruim onder nul ligt. Dit suggereert een versie van donkere energie die nu veel lijkt op een kosmologische constante, maar in werkelijkheid minder krachtig wordt naarmate de tijd verstrijkt.

De CPL-parametrisering is een vrij simpel model dat we hoofdzakelijk gebruiken om iets te hebben waartegen we een kosmologische constante kunnen testen — het is niet bedoeld om het gedetailleerde gedrag van donkere energie in de tijd te beschrijven of uit te leggen waarom het evolueert. Maar als we de grove lijnen van de evolutie die het suggereert bij toepassing op de DESI-data serieus nemen, komen we in een zeer vreemde situatie terecht. Het lijkt te wijzen op een toestandsvergelijking-parameter van donkere energie die op een zeker moment in het kosmische verleden kleiner was dan -1. En dit is een probleem, want hoewel een kosmologische constante al vreemd genoeg is, zou een component van het universum met $w < -1$ enkele schijnbaar fundamentele regels van de fysica breken.

Matthew Johnson, docent aan York University en Associate aan Perimeter, die onderzoek doet naar kosmologie, vroege universumtheorie en donkere energie, legt uit dat deze $w < -1$ versie van donkere energie — bekend als fantoom-donkere energie (phantom dark energy) — een echt probleem zou zijn. "Deze DESI-resultaten wijzen op de mogelijkheid dat de hoeveelheid of dichtheid van donkere energie daadwerkelijk toeneemt naarmate het universum uitdijt," zegt hij. "Het is alsof de hoeveelheid spul in deze groeiende doos sneller groeit dan de doos zelf groeit, wat een echt vreemde eigenschap is waar we in de natuurlijke wereld geen enkel voorbeeld van hebben. En het gaat in tegen ons begrip van wat is toegestaan in de theorie van de algemene relativiteit."

Of donkere energie in het verleden een fantoomfase kan hebben doorlopen, is een actueel onderwerp in de kosmologische literatuur sinds het DESI-resultaat naar buiten kwam. Bij zo'n verwarrend en potentieel revolutionair resultaat is er een enorme prikkel voor onderzoekers om het te verklaren, ofwel door eerder onopgemerkte problemen in de data of analyse te vinden, of door een nieuw fysica-model te vinden dat het logisch maakt. "Er is geen enkelvoudige verklaring voor wat donkere energie zou kunnen zijn," vertelt Will Percival me. "Het is nu 'open season' voor mensen om hun eigen modellen te testen en te zien wat het beste werkt en past."

De literatuur bruist nu van de voorgestelde verklaringen voor de DESI-resultaten. Naast exotische fysica-modellen die toelaten dat donkere energie daadwerkelijk de "fantoom-scheidingslijn" overschrijdt, hebben onderzoekers talloze manieren gevonden waarop de data ons kunnen misleiden. Sommigen suggereren dat systematische effecten in de data, of artefacten van de gekozen parametrisering, de balans in het voordeel van dynamische donkere energie hebben doen doorslaan, waardoor donkere energie lijkt te veranderen terwijl dat niet zo is. Anderen stellen dat het fantoomgedrag van donkere energie een illusie is, veroorzaakt door een onverwachte eigenschap van donkere materie die de relatie tussen de globale kosmische $w$ en de specifieke $w$ van donkere energie verandert. Er zijn ook voorstellen die de schuld geven aan een mogelijke, niet-meegerekende ruimtelijke kromming, of een onverwacht hoge waarde van de optische elektronendiepte, een parameter van het kosmologische model die moeilijk vast te stellen is met andere waarnemingen.

Er is ook de mogelijkheid dat de DESI-donkere energie-anomalie verbonden is met ofwel de Hubble-spanning of het neutrinomassa-probleem. In beide gevallen hebben kosmologen onderzocht of het toestaan van iets onverwachts bij donkere energie die andere spanningen kan verlichten, wat zou kunnen helpen bij het vinden van een consistent model van kosmische evolutie.

Ondertussen blijven onderzoekers meer data verzamelen en zoeken naar consistentie (of het gebrek daaraan) met de DESI-resultaten. Een recente analyse door het Dark Energy Survey Supernova Program vindt ook een voorkeur voor evoluerende donkere energie, in dezelfde richting als DESI DR2, maar met een iets lagere statistische significantie (waardoor de gecombineerde significantie daalt van 4,2 sigma naar slechts 3,2). Tegelijkertijd gaat het DESI-team door met hun lopende analyse van sterrenstelsel-clustering in hun dataset, die de komende maanden naar verwachting zal verschijnen, samen met nieuwe BAO-metingen in 2027. Ook in 2027 kunnen we uitkijken naar de start van een supernova-survey van het nieuwe Vera Rubin Observatory, waarvan wordt geschat dat het in slechts één jaar waarnemen het significantieniveau van 5 sigma voor dynamische donkere energie kan bereiken, mits donkere energie daadwerkelijk evolueert.

Op dit moment is het een kwestie van voortdurend debat of de kosmologie nu werkelijk "gebroken" is. We hebben een intrigerend, potentieel baanbrekend resultaat, ondersteund door meerdere waarnemingen, maar het is net genoeg gecompliceerd en voorlopig om verklaringen te vinden die passen binnen het beproefde concordantiemodel. Terwijl astronomen elke beschikbare dataset en elke stap in de analyse blijven doorgronden om het antwoord definitiever te maken, is het waarschijnlijk dat er geen solide conclusies getrokken zullen worden totdat we meer data hebben van een breder scala aan observationele instrumenten en technieken. Ondertussen zullen zij van ons die meer theorie-georiënteerd zijn nieuwe modellen blijven voorstellen in de hoop dat we ditmaal het concordantiemodel van de kosmologie definitief verslaan. Want hoe fijn het ook is om een model te hebben dat redelijk goed lijkt te werken met de data die we hebben, het is altijd beter om de kans te hebben de grenzen van ons begrip te verleggen en de aanwijzing te vinden die ons vertelt wat er hierna komt.

De credits voor de term "the week that broke cosmology" gaan naar mijn collega Niayesh Afshordi.

Verdere verdieping

• DESI DR2 results. II. Measurements of baryon acoustic oscillations and cosmological constraints Abdul Karim, M. et al. 2025, Phys. Rev. D 112, 083515
• Extended Dark Energy analysis using DESI DR2 BAO measurements Lodha, K. et al. 2025, arXiv:2503.14743
• Cosmological neutrino mass: a frequentist overview in light of DESI Chebat, D. et al. 2026, JCAP01(2026)041
• Constraints on Neutrino Physics from DESI DR2 BAO and DR1 Full Shape Elbers, W. et al., 2025, Phys. Rev. D 112, 083513
• The Dark Energy Survey Supernova Program: A Reanalysis Of Cosmology Results And Evidence For Evolving Dark Energy With An Updated Type Ia Supernova Calibration Popovic, B. et al., 2026, MNRAS 548, stag632
• A measurement of H0 from DESI DR1 using energy densities Krowleski, A. et al., 2026, arxiv:2511.23432
• High-redshift physics from the acoustic scale Weiner, Z. 2026, arXiv:2603.18131
• Testing $\Lambda$CDM versus dynamical dark energy in one year: A DESI spectroscopic follow-up program for Rubin supernovae Truong, J. et al., 2026, arxiv:2604.18859