Misschien wel de grootste ontdekking over het heelal die we aan het eind van de vorige eeuw deden, toen we een van de vreemdste kosmische waarheden ontdekten: verre sterrenstelsels vliegen niet alleen van ons weg naarmate de tijd voortschrijdt, maar vliegen ook steeds sneller weg. De ontdekking van de versnellende uitbreiding van het heelal als onderdeel van het Supernova Cosmology Project met de hulp van het High-z Supernova Search Team leverde wetenschappers de Nobelprijs voor natuurkunde op. Hoewel dit een van de vreemdste en meest ongebruikelijke verschijnselen in het universum is.
Het feit is dat het universum niet altijd versnelde en van ons wegvloog. Miljarden jaren lang is de expansie vertraagd, en voor iemand die tien miljard jaar geleden leefde, lijkt het misschien alsof hij krimpt. Wat is er gebeurd?
In de jaren twintig werden vier bewijsstukken gepresenteerd - drie waarneembare en één theoretische - dat het universum zich uitbreidde. Daar zijn ze:
1. Ontdekt dat de spiraalvormige nevels aan de nachtelijke hemel echte melkwegstelsels of ‘eilanduniversums’ zijn, met miljarden sterren en ver buiten de Melkweg.
2. Meting van rood- en blauwverschuivingen van deze sterrenstelsels door Vesto Slifer toonde aan hoe snel deze sterrenstelsels ofwel van ons af (roodverschuiving) of ons naderen (blauwverschuiving), en de overgrote meerderheid volgde het eerste scenario.
3. Afstandsmetingen naar elk van deze melkwegstelsels werden uitgevoerd door Edwin Hubble en zijn assistent Milton Humason. Gecombineerd met Slipher's observaties lieten ze een duidelijke relatie zien: hoe verder het sterrenstelsel was, hoe sneller het van ons af leek te bewegen.
4. Eindelijk, een krachtige theoretische sprong gemaakt door Einsteins algemene relativiteitstheorie: het besef dat het heelal, dat gevuld is met sterrenstelsels met ongeveer dezelfde dichtheid in alle richtingen, onstabiel moet zijn, tenzij het uitzet of samentrekt.
Dit leidde tot een beeld van het universum van 1929: het was warmer, dichter en breidde in het verleden sneller uit, en werd daarna kouder, minder dicht en in de loop van de tijd langzamer uitgebreid.
Promotie video:
Dit is vrij logisch vanuit het oogpunt van de oerknal. Stel je de oerknal voor als het startpistool van een grote ruimtewedloop, een race tussen de aanvankelijke expansie aan de ene kant, die aanvankelijk erg snel was, en de zwaartekracht aan de andere kant, die alles samenbrengt. Het is gemakkelijk om drie verschillende opties voor te stellen, die elk resulteren in een ander tempo van het universum:
1. Grote compressie. Misschien was de aanvankelijke expansiesnelheid vrij hoog, maar de zwaartekracht was sterker. De uitzetting zou moeten vertragen en stoppen. Het universum moet zijn maximale grootte bereiken en beginnen te krimpen. En tenslotte moet het weer instorten en terugkeren naar de staat van vóór de oerknal.
2. Grote bevriezing. Dit is het tegenovergestelde scenario van het vorige: waarin de expansie snel begint en de zwaartekracht het vertraagt, maar niet genoeg. Uitbreiding duurt voor altijd, de zwaartekracht vertraagt het voortdurend, maar kan het niet stoppen. Dit scenario staat bekend als de Heat Death of the Universe: The Great Freeze.
3. Kritisch universum. Er is ook de mogelijkheid dat u zich in het midden bevindt, wanneer de expansiesnelheid en de zwaartekracht elkaar gelijk maken en de expansiesnelheid na verloop van tijd zal vertragen. Een deeltje minder, nog een deeltje in het heelal - en je krijgt het eerste of tweede scenario. Maar dit deeltje bestaat niet. Het scenario van het "kritieke universum" zou leiden tot de langzaamst mogelijke warmtedood.
Miljarden jaren leek het erop dat de cruciale optie zou winnen. Zie je, wanneer je in het universum leeft en naar verschillende sterrenstelsels kijkt, kun je niet alleen de huidige expansiesnelheid meten, maar door naar de verste sterrenstelsels te kijken, kun je ook de expansiesnelheid meten aan het begin van de geschiedenis van het universum.
Deze afbeelding toont sterrenstelsels die al voor ons onbereikbaar zijn.
Miljarden jaren - ongeveer zeven miljard om precies te zijn - leek het alsof we in een kritiek universum leefden. De expansie begon in het tijdperk van straling (fotonen en neutrino's), en toen koelde alles voldoende af om het tijdperk van materie (zowel gewoon als donker) te laten beginnen. Terwijl het universum zich verder uitbreidde, nam de dichtheid van materie af en daalde naarmate het volume van de materie toenam en de massa hetzelfde bleef.
Maar op een gegeven moment daalde de dichtheid van materie tot zo'n lage waarde dat een andere, subtielere bijdrage aan de energiedichtheid van het heelal naar voren kwam: donkere energie. In ongeveer zeven miljard jaar bereikte de waarde van donkere materie enkele procenten van de totale energiedichtheid, en tegen de tijd dat het universum 7,8 miljard jaar oud was, had de dichtheid van donkere energie een belangrijke waarde bereikt: 33% van de totale energiedichtheid in het universum. Dit is belangrijk omdat die hoeveelheid donkere energie nodig is om de expansiesnelheid te laten stijgen.
Sindsdien, ongeveer 6 miljard jaar geleden, begon de dichtheid van materie af te nemen, terwijl donkere energie constant bleef. Momenteel maakt donkere materie ongeveer 68% uit van de totale energie van het universum, en materie is in totaal gedaald tot 32% (27% donkere materie en 5% gewone materie). Na verloop van tijd, in de toekomst, zal de dichtheid van materie blijven dalen, terwijl de dichtheid van donkere energie constant zal blijven, zal donkere energie steeds vaker voorkomen.
Energiedichtheid in het heelal op verschillende tijdstippen in het verleden
Voor individuele sterrenstelsels betekent dit dat het sterrenstelsel, dat ten tijde van de oerknal sneller van ons af begon te bewegen dan andere, een duidelijke afname in snelheid zal vertonen (vanuit ons standpunt) in de eerste 7,8 miljard jaar. Dan zal de vertragingssnelheid stoppen met dalen en zal deze enige tijd ongewijzigd blijven. Dan zal het beginnen te groeien, en het sterrenstelsel zal zelfs sneller dan voorheen van ons vandaan gaan bewegen, aangezien de ruimte tussen ons en verre sterrenstelsels zich met een enorme snelheid uitbreidt. Op een gegeven moment - en dit is beangstigend omdat het van toepassing is op 97% van de melkwegstelsels in ons zichtbare universum - zal elk melkwegstelsel buiten onze lokale groep weggaan met een snelheid die hoger is dan de snelheid van het licht, waardoor het buiten ons bereik raakt vanwege fysieke beperkingen.
Met geel omlijnd is de huidige grootte van het zichtbare heelal: 46 miljard lichtjaar; De grootte die we kunnen bereiken is in roze: 14,5 miljard lichtjaar
Voor zover we kunnen nagaan, heeft het universum altijd de hoeveelheid donkere energie gehad die het nu inherent heeft aan de kosmos zelf. Maar het duurde 7,8 miljard jaar, of de hele geschiedenis van het heelal anderhalf miljard jaar voordat ons zonnestelsel gevormd werd, voordat de dichtheid van materie daalde tot een niveau dat donkere energie de uitdijing van het universum overnam. Sindsdien hebben alle sterrenstelsels buiten onze lokale groep zich van ons teruggetrokken en zullen ze zich blijven terugtrekken totdat de laatste verdwijnt. Het universum heeft zich de afgelopen zes miljard jaar uitgebreid en als we eerder waren verschenen, waren we misschien niet verder gegaan dan deze drie opties die onze intuïtie bood. In het beste geval konden we alleen raden wat het universum precies is. En dat zou onze grootste beloning zijn.
