Een van de belangrijkste prestaties van de 20e eeuw was de precieze definitie van hoe groot, uitgestrekt en massief ons universum is. Met ongeveer twee biljoen sterrenstelsels ingesloten in een volume van 46 miljard lichtjaar in straal, stelt ons waarneembare universum ons in staat om de hele geschiedenis van onze kosmos te reconstrueren, tot aan de oerknal en misschien zelfs iets eerder. Maar hoe zit het met de toekomst? Hoe zal het universum eruit zien? Zal het?
Iemand zegt dat de expansie van het universum aan het vertragen is. De Nobelprijs werd toegekend voor de "ontdekking" dat de expansie van het universum toeneemt. Maar wie heeft er gelijk? Zou het universum op een dag kunnen instorten tijdens het proces van de zogenaamde Big Compression (omgekeerd aan de Big Bang)?
Toekomstig gedrag kan het beste worden voorspeld op basis van gedrag uit het verleden. Maar net zoals mensen ons soms kunnen verrassen, kan het universum dat ook.
De expansiesnelheid van het heelal op een bepaald moment hangt slechts af van twee factoren: de totale energiedichtheid die in ruimte-tijd bestaat en de hoeveelheid aanwezige ruimtekromming. Als we de wetten van de zwaartekracht begrijpen en hoe verschillende soorten energie in de loop van de tijd evolueren, kunnen we alles reconstrueren wat er op een bepaald punt in het verleden is gebeurd. We kunnen ook naar verschillende verre objecten op verschillende afstanden kijken en meten hoe licht wordt uitgestrekt door de uitbreiding van de ruimte. Elk sterrenstelsel, supernova, moleculaire gaswolk en dergelijke - alles dat licht absorbeert of uitzendt - zal het kosmische verhaal vertellen over hoe de uitbreiding van de ruimte het uitrekte vanaf het moment dat licht werd geboren tot het moment dat we het observeerden.
Uit verschillende onafhankelijke waarnemingen konden we concluderen waaruit het universum zelf bestaat. We hebben drie grote onafhankelijke observatieketens gemaakt:
- In de kosmische microgolfachtergrond zijn er temperatuurschommelingen die informatie coderen over de kromming van het universum, normale materie, donkere materie, neutrino's en totale dichtheid.
- Correlaties tussen sterrenstelsels op de grootste schaal - bekend als baryonische akoestische trillingen - leveren zeer rigoureuze metingen op van de totale dichtheid van materie, de verhouding tussen normale materie en donkere materie, en hoe de expansiesnelheid in de loop van de tijd is veranderd.
Promotie video:
“En de verst verwijderde, gloeiende standaardkaarsen in het heelal, type Ia supernovae, vertellen ons over de expansiesnelheid en donkere energie, hoe ze in de loop van de tijd zijn veranderd.
Deze ketens van bewijs, samen genomen, geven ons een samenhangend beeld van het universum. Ze vertellen ons wat er in het moderne universum is en geven ons een kosmologie waarin:
- 4,9% van de energie van het heelal wordt vertegenwoordigd door normale materie (protonen, neutronen en elektronen);
- 0,1% van de energie van het heelal bestaat in de vorm van massieve neutrino's (die in recente tijden als materie en in vroege tijden als straling fungeerden);
- 0,01% van de energie van het heelal bestaat in de vorm van straling (zoals fotonen);
- 27% van de energie van het heelal bestaat in de vorm van donkere materie;
- 68% van de energie is inherent aan de ruimte zelf: donkere energie.
Dit alles geeft ons een vlak heelal (met een kromming van 0%), een heelal zonder topologische defecten (magnetische monopolen, kosmische strings, domeinwanden of kosmische texturen), een heelal met een bekende expansiegeschiedenis.
De vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie zijn in die zin erg deterministisch: als we weten waaruit het universum tegenwoordig is gemaakt, en de wetten van de zwaartekracht, weten we precies hoe belangrijk elke component in het verleden was bij elk afzonderlijk interval. In het begin domineerden straling en neutrino's. Miljarden jaren lang waren donkere materie en normale materie de belangrijkste componenten. In de afgelopen miljarden jaren - en dit zal in de loop van de tijd alleen maar erger worden - is donkere energie de dominante factor geworden in de uitdijing van het universum. Hierdoor versnelt het universum en vanaf dat moment begrijpen veel mensen niet meer wat er gebeurt.
Er zijn twee dingen die we kunnen meten als het gaat om de expansie van het universum: de snelheid van expansie en de snelheid waarmee individuele sterrenstelsels, vanuit ons standpunt, in perspectief gaan. Ze zijn verwant, maar ze blijven verschillend. De expansiesnelheid geeft enerzijds aan hoe het weefsel van de ruimte zelf zich in de loop van de tijd uitrekt. Het wordt altijd gedefinieerd als snelheid per afstandseenheid, meestal uitgedrukt in kilometers per seconde (snelheid) per megaparsec (afstand), waarbij een megaparsec ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar is.
Als er geen donkere energie zou zijn, zou de expansiesnelheid in de loop van de tijd afnemen tot nul, aangezien de dichtheid van materie en straling tot nul zou dalen naarmate het volume groter werd. Maar met donkere energie blijft deze expansiesnelheid afhankelijk van de donkere energiedichtheid. Als donkere energie bijvoorbeeld een kosmologische constante zou zijn, zou de expansiesnelheid afvlakken tot een constante waarde. Maar in dit geval zouden individuele sterrenstelsels die van ons af bewegen, versnellen.
Stel je de expansiesnelheid voor van een bepaalde grootte: 50 km / s / Mpc. Als het sterrenstelsel zich op een afstand van 20 Mpc van ons bevindt, lijkt het zich met een snelheid van 1000 km / s van ons terug te trekken. Maar geef het tijd, en naarmate het weefsel van de ruimte groter wordt, zal dit sterrenstelsel uiteindelijk verder van ons verwijderd zijn. Na verloop van tijd zal het twee keer zo ver zijn: 40 Mpc, en de verwijderingssnelheid zal 2000 km / s zijn. Het zal meer tijd kosten, en het zal 10 keer verder zijn: 200 Mpc en de verwijderingssnelheid van 10.000 km / s. Na verloop van tijd zal het weggaan op een afstand van 6000 Mpc van ons en zal het weggaan met een snelheid van 300.000 km / s, wat sneller is dan de snelheid van het licht. Hoe verder de tijd verstrijkt, hoe sneller de melkweg van ons af zal bewegen. Dat is de reden waarom het heelal "versnelt": de snelheid van expansie neemt af, maar de snelheid van individuele sterrenstelsels die van ons af bewegen, neemt alleen maar toe.
Dit alles komt overeen met onze beste metingen: donkere energie is een constante energiedichtheid die inherent is aan de ruimte zelf. Terwijl de ruimte zich uitstrekt, blijft de dichtheid van donkere energie constant, en het universum zal eindigen in een "grote bevriezing", wanneer alles wat niet met elkaar verbonden is door de zwaartekracht (zoals onze lokale groep, melkwegstelsel, zonnestelsel) zal divergeren en divergeren. Als donkere energie echt een kosmologische constante is, zal deze expansie voor onbepaalde tijd doorgaan totdat het universum koud en leeg wordt.
Maar als donkere energie dynamisch is - wat theoretisch mogelijk is, maar zonder waarneembaar bewijs - kan het eindigen in een Big Squeeze of Big Rip. In de Grote Compressie zal donkere energie de expansie van het universum verzwakken en geleidelijk omkeren, zodat het begint te samentrekken. Er zou zelfs een cyclisch universum kunnen zijn, waar "compressie" aanleiding geeft tot een nieuwe oerknal. Als donkere energie sterker wordt, wacht ons een ander lot, wanneer de onderling verbonden structuren uiteengereten zullen worden door de geleidelijk toenemende snelheid van expansie. Tegenwoordig wijst alles er echter op dat de Grote Bevriezing op ons wacht, wanneer het Universum voor altijd zal uitbreiden.
De belangrijkste wetenschappelijke doelen voor toekomstige observatoria zoals ESA's Euclides of NASA's WFIRST omvatten het meten of donkere energie een kosmologische constante is. En hoewel de leidende theorie voor constante donkere energie spreekt, is het belangrijk om te begrijpen dat er mogelijkheden zijn die niet worden uitgesloten door metingen en waarnemingen. Het universum kan grofweg nog steeds instorten, en dit is mogelijk. Meer gegevens nodig.
ILYA KHEL
