De evolutie van het heelal

Transcriptie

1 De evolutie van het heelal

2 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

3 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.

4 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/ 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

5

6

7 Kosmische achtergrondstraling Temperatuurverschillen 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.

8 Millennium simulatie

9 het kosmisch web

10 Evolutie van het heelal 3D millennium simulatie

11 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

12 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

13 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.

14 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.

15 De wet van Hubble (1929): De wet kan in een eenvoudige formule worden uitgedrukt: H 0 = d v Hierin is: H o 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.

16 De oerknal Melkwegstelsel Corona Borealis Afstand 1,1 miljard lichtjaar km/sec Oerknal: 1,1 miljard lichtjaar : 22000km/sec = 13,7 miljard jaar!

17 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.

18 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 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.

19 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)

20 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

21 Alle metingen tonen consistent het onderstaande energiebudget:

22 Donkere energie Homogeen verdeeld in heelal Zeer kleine dichtheid (10-29 gram/cm 3 ) 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.

23 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/cm 3 ). 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 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. Quintessentie heeft niet overal de zelfde waarde

24 Toekomst van het heelal

25 Ouderdom heelal bepaald met donkere energie/ expansie modellen is consistent met andere metingen.

26 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

27 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..

28 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

29 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!!!

30 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!

31 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.

32 Afsluiting