De evolutie van het heelal - Corona Borealis | Zevenaar

De evolutie van het heelal
Evolutie van het heelal
  Hoe waar te nemen?
  FERMI (gamma array space telescope) op zoek naar de specifieke
gamma straling van botsende WIMP’s: Nog niets waargenomen.
  Met ondergrondse detectoren in de Apenijnen Italië na jarenlange
metingen niets waargenomen
  Identiek Xenon 100 project in VS: sinds 2009 niets waargenomen
  Large Hadron Collider at CERN:
Nog niets waargenomen
Evolutie van het heelal
  In 1948 beweerde de rus George Gamow dat straling veroorzaakt door
oerknal nog aanwezig moest zijn.
  Eerste straling toen heelal transparant werd door invangen electronen
  Deze straling zou bij homogene materieverdeling in alle richtingen gelijk
moeten zijn
  Dit gebeurt bij 3000 graden. Door uitdijing heelal moeten wij dit nu
ontvangen als straling van 2,728 graden
  In 1964 is deze straling bij toeval ontdekt door Penzias en Wilson. Zij kregen
hiervoor in 1978 de nobelprijs voor de natuurkunde.
Evolutie van het heelal
Kosmische achtergrondstraling
  Recente nauwkeurige metingen tonen dat intensiteit kosmische
achtergrondstraling toch niet geheel identiek is in alle richtingen..
  Met het heelal zoals wij dit nu waarnemen moeten er samenklonteringen in de
achtergrondstraling te zien zijn in afwijkingen van 1/100.000
  Deze samenklonteringen kunnen niet veroorzaakt zijn door gewone materie (gravitatie
waterstof en helium hiervoor te gering). Dus is het donkere materie
  Door gravitatie en uitdijing heelal leiden deze verschillen na 1 miljard jaar tot
vorming van clusters van sterrenstelsels.
  Maar ons huidige heelal had zich nooit kunnen vormen in 13,7 miljard jaar zonder
de gravitatie van donkere materie
Evolutie van het heelal
Evolutie van het heelal
Evolutie van het heelal
Kosmische achtergrondstraling
Temperatuurverschillen 380.000 jaar na de oerknal
Gravitatie maar iets dichtere gebieden worden nog dichter en ijlere gebieden worden nog ijler.
Dit worden de ‘Dark Ages’ genoemd
Door gravitatie gas zodanig gecomprimeerd dat kernfusie begint. De eerste sterren geven
licht (400 miljoen jaar jaar na oerknal).
Meer en meer sterren worden gevormd en groeperen zich rond concentraties donkere materie
in een kosmisch web
Heden: honderden miljarden sterrenstelsels vullen het heelal. Computersimulaties van
materieverdeling op basis van de kosmische achtergrondstraling onder invloed van gravitatie
en uitdijing heelal resulteert in wat wij nu waarnemen! Ook hier overigens klopte de simulatie
pas toen de juiste hoeveelheid donkere materie was ingevoerd.
Evolutie van het heelal
Millennium simulatie
Evolutie van het heelal
het kosmisch web
Evolutie van het heelal
3D millennium simulatie
Evolutie van het heelal
Deze foto (Subaru telescoop
Japan) toont in 2009 ontdekte
structuur van clusters van
sterrenstelsels op 6,7 miljard
lichtjaar afstand. Deze
structuur gaf verder inzicht in
het kosmisch web en over hoe
het is ontstaan
Evolutie van het heelal
Hier zijn de sterrenstelsels
die behoren bij de nieuw
ontdekte structuur op 6,7
miljard jaar rood gekleurd. De
sterrenstelsels die dichterbij
of verder weg staan zijn
blauw getekend. De witte
sterren zijn uit ons
melkwegstelsel
Evolutie van het heelal
Deze 3D illustratie toont de positie van de nieuw ontdekte
structuur van sterrenstelsels in perspectief t.o.v. andere stelsels.
Duidelijk is te zien dat materie samenklontert in een kosmisch
web dat een gigantische draadachtige structuur creëert waarbij
onze melkweg volledig in het niet valt.
Evolutie van het heelal
Ondanks de expansie
van het heelal worden
sterrenstelsels door
gravitatie tot elkaar
aangetrokken. Soms
leidt dit tot botsingen
waarbij de stelsels eerst
om elkaar heen ‘dansen’
om vervolgens een
nieuw stelsel te vormen
met een
gemeenschappelijk
zwart gat als kern.
Evolutie van het heelal
  De wet van Hubble (1929):
  De wet kan in een eenvoudige formule worden
uitgedrukt:
d
H0 =
v
  Hierin is:
  Ho de hubbleconstante (72km/s/Mpc),
  d de afstand tot de aarde in Megaparsec of Mpc (1 Mpc is
ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar) en
  v de snelheid (in km/s) waarmee het sterrenstelsel zich van ons
verwijdert.
€
Evolutie van het heelal
De oerknal
Melkwegstelsel
Corona Borealis
Afstand
1,1 miljard lichtjaar
22000 km/sec
Oerknal: 1,1 miljard lichtjaar : 22000km/sec = 13,7 miljard jaar!
Evolutie van het heelal
  In 1998 bleken supernova’s type 1A zwakker dan
verwacht
  Door meerdere teams gemeten
  Dit betekent dat de uitdijingsnelheid een paar miljard jaar
geleden begon toe te nemen
  Geen echte verklaring voorhanden.
  Dus dan maar een soort vacuüm energie die tegengesteld
aan de zwaartekracht werkt, een negatieve zwaartekracht
dus
  Negatieve zwaartekracht houdt materie niet bij elkaar maar
stoot het juist af
  In 2011 is voor de ontdekking van de versnelde uitdijing
van het heelal de Nobelprijs voor de natuurkunde
toegekend.
Evolutie van het heelal
  Andere methodes die donkere energie bevestigen:
  Kosmische achtergrondstraling
  Metingen met WMAP satelliet aan kosmische achtergrondstraling tonen
aan dat het heelal vrijwel vlak is
  De massa/energie dichtheid moet hiervoor een zekere (berekende)
kritische waarde hebben
  De totale hoeveelheid massa (baryonisch en donkere materie) berekend uit
de kosmische achtergrondstraling voorziet slechts voor 30% van de massa
benodigd voor de kritische waarde
  Er moet dus ‘iets’ zijn dat voorziet in de resterende 70% benodigd voor
een vlak heelal
  Recente metingen tonen met deze methode 72,8% donkere energie.
  De theorie van de grote structuren in het heelal
  Ook deze theorie geeft aan dat er maar 30% van de benodigde kritische
massa is
  In 2011 toonde een onderzoek door een Australisch observatorium naar de
roodverschuiving van 200.000 sterrenstelsels tot een afstand van 6 miljard
lichtjaar. Hiermee kon van deze stelsels nauwkeurig afstand en snelheid
werden bepaald. Deze gegevens bevestigen de geobserveerde versnelde
expansie sinds 7 miljard jaar geleden.
Evolutie van het heelal
  Zonder donkere energie was de toekomst van het
heelal eenvoudig in te schatten:
•  Bij een zgn kritische massadichtheid
zou de uitdijing van het heelal in het
oneindige juist tot stilstand komen en
heeft het heelal een vlakke ruimtelijke
geometrie.
•  Als de massadichtheid groter is dan de
kritische massadichtheid zal het heelal
uiteindelijk ineenstorten en is de
kromming van het heelal positief
(bolvorm)
•  Als de massadichtheid kleiner is zal het
heelal altijd uit blijven dijen en is de
kromming van het heelal negatief
(zadelvorm)
Evolutie van het heelal
  Donkere energie heeft de toekomst van het heelal
danig verstoord:
  Ook als de massadichtheid groter is dan de kritische
massadichtheid kan het heelal eeuwig blijven
uitdijen
  Er is geen geometrie meer die een eenduidig
verband heeft met de kritische massadichtheid
  Ook een vlak heelal (en alle metingen duiden hierop)
kan eeuwig blijven uitdijen
  Uiteindelijk zullen sterrenstelsels zich zover van elkaar
verwijderen dat andere sterrenstelsels niet meer
zichtbaar zullen zijn
Evolutie van het heelal
  Alle metingen tonen consistent het
onderstaande energiebudget:
Evolutie van het heelal
  Donkere energie
Homogeen verdeeld in heelal
Zeer kleine dichtheid (10-29 gram/cm3)
Alleen interactie met gravitatiekracht
Kan dus niet in een laboratorium opstelling
worden aangetoond
  Een hypothetische (vacuüm) energie die zich
verspreidt in de ruimte en een druk uitoefent
waardoor het heelal expandeert.
  Door deze expansie is er meer vacuüm en
daardoor meer vacuüm energie weer leidt tot
verdere expansie, dit in steeds toenemende mate.
Expansie zelfs veel sneller dan de lichtsnelheid.
  Het effect van donkere energie is klein op de
schaal van sterrenstelsels maar essentieel voor
het universum als geheel.
 
 
 
 
Evolutie van het heelal
  Twee modellen die donkere energie kunnen verklaren
 
Kosmologische constante
  Algemene relativiteitstheorie (1916):
 
 
 
Kosmologische constante (vacuüm energie) als tegenwicht gravitatie om een stabiel heelal te
bewerkstelligen.
Hubble toonde aan dat heelal expandeert (1929) en Einstein verklaarde kosmologische constante
als ‘grootste blunder’.
 
Nu blijkt dat de expansie van het heelal keurig overeenkomt met de kosmologische constante (10-29
g/cm3). Dit is dus een vacuümenergie die overal constant is.
 
De vacuümenergie is niet alleen overal constant maar ook constant gedurende de gehele
geschiedenis van de kosmos
 
Had Einstein toch gelijk over iets waarvan hij dacht dat het zijn grootste blunder was?
Quintessentie
  Quintessentie is een kosmisch veld dat kan variëren in tijd en ruimte.
 
 
 
 
Het veld moet zwak zijn
Het voorspeld een langzamere expansie dan de Kosmologische constante
 
Quintessentie heeft niet overal de zelfde waarde
Scalar fields worden voorspeld door het standaard model en de snaar theorie
Quintessentie leidt tot een nieuwe kracht die er niet altijd is geweest en in de toekomst langzaam
zal verdwijnen.
Evolutie van het heelal
Toekomst van het heelal
Evolutie van het heelal
  Ouderdom heelal bepaald met donkere energie/
expansie modellen is consistent met andere
metingen.
Evolutie van het heelal
Expansie van het heelal
  De snelheid van de uitbreiding heelal :
  7,5 miljoen jaar geleden versnelde de expansie
aanzienlijk (buigpunt in grafiek)
  Verste geobserveerde supernova toont dat na een
vertragende expansie de expansie juist was versneld
Evolutie van het heelal
  Donkere energie neemt toe.
  Vacuüm energie neemt toe als volume vacuüm
toeneemt. Expansie heelal leidt tot meer volume en
dus meer vacuüm energie.
  Gravitatie neemt af.
  De hoeveelheid materie (zichtbaar en donker) blijft
gelijk of neemt af en moet zich verdelen in een
groter wordend heelal. Door de grotere afstanden
neemt de gravitatie af.
  Donkere energie wint het dus van (donkere)
materie.
  De expansie van het heelal zal dus blijven versnellen,
tenzij…..
Evolutie van het heelal
Expansie van het heelal
Hubble observaties:
In het vroege heelal
domineerde gravitatie en
vertraagde de door de
Big Bang veroorzaakte
expansie.
Sinds 5 miljard jaar
expandeert het heelal
versneld (donkere
energie). Deze expansie
gaat zelfs sneller dan de
lichtsnelheid
Evolutie van het heelal
Expansie van het heelal
  Speciale relativiteitstheorie van Einstein:
  De lichtsnelheid is de maximale snelheid in het heelal
  Deze beperking geldt voor het reizen door de ruimte-tijd
  Een expansie sneller dan de lichtsnelheid is niet
strijdig met Einstein.
  Het gaat niet om het reizen door de ruimte-tijd maar om
de ruimte-tijd die zelf expandeert. Deze expansie geldt
alleen op intergalactische schaal.
  Expansie heelal heeft geen invloed op de baan van de
aarde om de zon.
  NIET DE STERRENSTELSELS BEWEGEN VAN ELKAAR
MAAR DE RUIMTE EXPANDEERT!!!
Evolutie van het heelal
Expansie van het heelal
  De ruimte is veel sneller geëxpandeerd dan de
lichtsnelheid.
  Het heelal is dus veel groter dan we ooit zullen
kunnen waarnemen!
  Het verste sterrenstelsel ooit waargenomen staat op
13 miljard lichtjaar (dus vlak na de oerknal) maar
deze afstand is dus slechts een klein stukje van het
heelal!
Evolutie van het heelal
Toekomst van het heelal
  De in 1998 gemeten versnelde expansie van het
heelal betekent dat de uitdijing (veroorzaakt door
‘donkere energie’) het wint van aantrekking (door
gravitatiekracht)
  Hoe groter de ruimte hoe groter de ‘donkere energie’
  Uitdijing heelal zal dus nog verder versnellen.
  Over miljarden jaren zullen er dus veel minder
sterrenstelsels aan het firmament staan.
  Uiteindelijk zal alles uit elkaar gerukt worden, zelfs de
atomen.
  We eindigen in een leeg en koud heelal.
Afsluiting