Als je vandaag naar ons universum kijkt, is het heel gemakkelijk om verrukt te zijn van wat je ziet. De sterren aan onze nachtelijke hemel zijn slechts een kleine fractie, een paar duizend van de honderden miljarden van wat er in onze Melkweg aanwezig is. De Melkweg zelf is slechts een van de triljoenen sterrenstelsels die aanwezig zijn in het waarneembare universum, dat zich ongeveer 46 miljard lichtjaar in alle richtingen uitstrekt. En het begon allemaal ongeveer 13,8 miljard jaar geleden vanuit een hete, dichte, snelle, groeiende staat die bekend staat als de oerknal.
Het is vanaf de oerknal dat we de kans krijgen om ons heelal te beschrijven als vol materie en straling en om de bekende natuurkundige wetten te verbinden die de moderne vorm van de kosmos verklaren. Maar het universum blijft zich uitbreiden. Nieuwe sterren verschijnen, de ruimte evolueert. Hoe zal het eindigen? Laten we de wetenschap vragen.
Wat is het einde van het universum
Wetenschappers die de structuur en evolutie van het universum hebben bestudeerd, hebben lange tijd drie mogelijkheden overwogen, gebaseerd op de eenvoudige fysica van de algemene relativiteitstheorie en de context van de uitbreiding van het universum. Enerzijds trekt de zwaartekracht actief alles samen; het is een aantrekkingskracht die wordt beheerst door materie en energie in al hun vormen die in het universum aanwezig zijn. Aan de andere kant is er een aanvankelijke uitbreidingssnelheid die alles uit elkaar trekt.
De oerknal was een schot, waarna de grootste race aller tijden begon: tussen zwaartekracht en de uitdijing van het universum. Wie zal er uiteindelijk winnen? Het antwoord op deze vraag zal het lot van onze wereld bepalen.
We dachten dat het universum deze opties had:
Promotie video:
- Het universum zal ineenstorten in de grote compressie. De expansie zal snel beginnen en grote hoeveelheden materie en straling zullen uit elkaar worden gescheurd. Als er meer dan genoeg materie en energie is, zal het universum uitzetten tot een bepaalde maximale grootte, de uitzetting zal de samentrekking omkeren en het universum zal weer instorten.
- Het universum zal voor altijd uitbreiden en leiden tot de Grote Bevriezing. Alles zal hetzelfde beginnen als hierboven, maar deze keer zal de hoeveelheid materie en energie niet genoeg zijn om expansie te weerstaan. Het universum zal voor altijd uitdijen naarmate de expansiesnelheid blijft dalen, maar nooit nul bereikt.
- De uitbreiding van het heelal neigt asymptotisch naar nul. Stel je een grenssituatie voor tussen de twee bovenstaande voorbeelden. Nog een proton - en we storten in; één minder - we breiden oneindig uit. In dit kritieke geval breidt het universum zich voor altijd uit, maar met de laagst mogelijke snelheid.
Om erachter te komen welke optie juist is, hoefden we alleen maar te meten hoe snel het universum uitdijt en hoe de snelheid van uitdijing in de loop van de tijd veranderde. De rest is een kwestie van natuurkunde.
Dit is tegenwoordig een van de grootste uitdagingen in de astrofysica. Meet de snelheid waarmee het universum zich uitbreidde en ontdek hoe de structuur van de ruimte vandaag verandert. Meet hoe de uitzettingssnelheid in de loop van de tijd is veranderd en ontdek hoe de structuur van de ruimte in het verleden is veranderd.
Combineer deze twee stukjes informatie en hoe de expansiesnelheid is veranderd en wat het was, zodat je kunt bepalen waaruit het universum is gemaakt en in welke verhoudingen.
Voor zover we weten, hebben we op basis van deze metingen vastgesteld dat het heelal bestaat uit 0,01% straling, 0,1% neutrino's, 4,9% gewone materie, 27% donkere materie, 68% donkere energie. Deze zoektocht, die voor sommigen al in de jaren twintig begon, kreeg eind jaren negentig een onverwacht antwoord.
Dus als donkere energie de uitbreiding van het universum domineert, wat betekent dit dan voor onze bestemming? Het hangt allemaal af van hoe - en of - donkere energie zich in de loop van de tijd ontwikkelt. Hier zijn vijf opties.
Donkere energie is een kosmologische constante die dominant is in expansie. Dit is de standaardinstelling en houdt rekening met onze beste gegevens. Terwijl materie minder dicht wordt naarmate het universum uitdijt, verdunt naarmate het volume toeneemt, vertegenwoordigt donkere energie de niet-nul hoeveelheid energie die inherent is aan het weefsel van de ruimte zelf. Naarmate het universum zich uitbreidt, blijft de dichtheid van donkere energie constant, waardoor de expansie altijd positief blijft.
Dit resulteert in een exponentieel uitbreidend universum en zal uiteindelijk alles duwen dat geen deel uitmaakt van onze lokale groep. In dergelijke omstandigheden wordt al 97% van het zichtbare heelal ontoegankelijk.
Donkere energie is dynamisch en wordt na verloop van tijd krachtiger. Donkere energie lijkt een nieuwe vorm van energie te zijn die inherent is aan de ruimte zelf, wat impliceert dat het een constante energiedichtheid heeft. Maar het kan ook in de loop van de tijd veranderen. Een van de mogelijke manieren om te veranderen is dat het geleidelijk toeneemt, wat zal leiden tot een versnelling van de expansiesnelheid van het universum.
Afgelegen objecten zullen niet alleen van ons af bewegen, maar doen het ook sneller en sneller. Erger nog, objecten die nu door zwaartekracht gebonden zijn - zoals clusters van sterrenstelsels, individuele sterrenstelsels, zonnestelsels en zelfs atomen - zullen op een dag losraken naarmate donkere energie verhardt. Op de laatste momenten van het bestaan van het universum zullen subatomaire deeltjes en het weefsel van ruimte-tijd zelf uit elkaar worden gescheurd. Dit lot - de Big Rip - is onze tweede optie.
Donkere energie is dynamisch en verzwakt na verloop van tijd. Hoe kan donkere energie anders veranderen? In plaats van te versterken, kan het verzwakken. De expansiesnelheid is natuurlijk consistent met een constante hoeveelheid energie die tot de ruimte zelf behoort, maar deze energiedichtheid kan ook afnemen.
Als het naar nul verzwakt, komt alles tot een van de hierboven beschreven mogelijkheden: The Great Freeze. Het universum zal zich uitbreiden, maar zonder voldoende materie en andere vormen van energie om het weer in te laten storten.
Als het verval negatief wordt, kan dit leiden tot een andere mogelijkheid: de Big Shrink. Het universum zal worden gevuld met energie die inherent is aan de ruimte, die plotseling van teken verandert en ervoor zorgt dat de ruimte samentrekt. Deze optie is ook mogelijk.
Donkere energie zal transformeren in een andere vorm van energie die het universum verjongt. Als donkere energie niet uiteenvalt, maar constant blijft of zelfs intensiveert, doet zich een andere mogelijkheid voor. Deze energie die inherent is aan het weefsel van de ruimte, blijft mogelijk niet altijd in deze vorm. In plaats daarvan kan het in materie en straling veranderen, vergelijkbaar met wat het was toen de kosmische inflatie eindigde en de oerknal begon.
Als donkere energie tot op dit punt constant blijft, zal het een heel, heel koude en diffuse versie van de gloeiende Big Bang creëren, waarin alleen neutrino's en fotonen zichzelf kunnen creëren. Maar als de intensiteit van donkere energie toeneemt, kan dit leiden tot een toestand als inflatie, gevolgd door een nieuwe, echt gloeiend hete oerknal. Dit is de gemakkelijkste manier om het universum te verjongen met de gegeven parameters.
Donkere energie wordt geassocieerd met de nulenergie van het kwantumvacuüm en zal vervallen en ons universum vernietigen. Dit is de meest verwoestende kans van allemaal. Wat als donkere energie niet de werkelijke hoeveelheid lege ruimte is in de configuraties met de laagste energie, maar het resultaat is van symmetrieën in het vroege heelal, toen ze in een configuratie waren met een vals minimum?
Als dat zo is, moet er een manier zijn om een kwantumtunnel te creëren naar een lagere energietoestand door de wetten van de fysica te veranderen en alle gebonden toestanden (d.w.z. deeltjes) van kwantumvelden tegenwoordig te elimineren. Als het kwantumvacuüm in deze zin onstabiel is, zal het resultaat, waar dit verval ook plaatsvindt, de vernietiging zijn van alles in het universum door een bel die zich voortplant met de snelheid van het licht. Als zo'n signaal ons bereikt, zullen ook wij eindigen.
Hoewel we niet weten welke van deze mogelijkheden zullen gelden voor ons universum, stemmen de gegevens eenvoudigweg verwoed ten gunste van de eerste optie: donkere energie is inderdaad een constante. Op dit moment leggen onze waarnemingen van hoe het universum zich heeft ontwikkeld - vooral dankzij de kosmische achtergrondstraling van de microgolven en de grootschalige structuur van het universum - strenge beperkingen op aan de bewegingsruimte voor donkere energie om te veranderen.
Ilya Khel
