| |
Eindig of oneindig groot?
De Big Bang-theorie is sterk gebaseerd op de algemene
relativiteitstheorie van Einstein, die het verband beschrijft tussen
ruimte, tijd en zwaartekracht.
Waarnemingen tonen aan dat de massa in
het heelal erg homogeen verdeeld is. Dit maakt het mogelijk om
betrekkelijk eenvoudig het heelal te beschrijven met de formules uit de
algemene relativiteitstheorie: globaal gezien is overal het effect van de zwaartekracht
gelijk! Deze veronderstelling van uniformiteit van het heelal
(homogeen en isotroop) is dan ook erg belangrijk voor de kosmologen, en
wordt het "kosmologisch principe" genoemd.
De algemene relativiteitstheorie zegt dat het effect van massa
(de zwaartekracht) is de ruimte om zich heen te "krommen".
Eenvoudig gezegd betekent dit dat "rechtdoor" inderdaad gewoon
"rechtdoor" is. Het effect van massa (de zwaartekracht) is de ruimte om
zich heen te "krommen". Rechtdoor is dan niet meer rechtdoor. In de
3-dimensionale wereld die we kennen kunnen wij ons dit moeilijk
voorstellen, maar
gelukkig kunnen we ons beroepen op een 2-dimensionaal voorbeeld om hier
meer gevoel voor te krijgen (zie kaderstuk).
|
Leven in een gekromde wereld
|
|
|
Neem een geruit laken en span het op. Het is nu mooi strak. Stel dat je
een wezen bent dat in dit laken beweegt, en zich enkel bewust is van het
laken zelf, en dus niet van de ruimte errond. De "ruimte" van dat wezen is
dus 2-dimensionaal, in tegenstelling tot onze 3-dimensionale wereld. De
twee hoofdrichtingen waarin het wezen zich kan bewegen, zijn de
richtingen van de ruitjes op het laken. Als het wezen volgens deze
lijnen beweegt, gaat het volgens zijn eigen waarneming "rechtdoor".
Stel nu dat we het laken vervormen, door er een gewicht op te leggen.
Het laken is nu gekromd. Het wezen, dat volgens de ruitjes loopt, en
volgens zijn eigen waarneming
in de 2-dimensionale wereld dus rechtdoor, zal in
de 3-dimensionale wereld een gekromd pad volgen.
Zo ook volgen wij in
onze 3-dimensionale wereld, als we rechtdoor gaan in de nabijheid van
massa, eigenlijk een gekromd pad in de 4-dimensionale tijd-ruimte
wereld.
|
|
|
|
De kromming van het heelal
Aangezien de massa in het heelal, volgens het kosmologisch principe,
globaal bekeken gelijkmatig verdeeld is, betekent dat ook dat het heelal
overal even gekromd is, en dat we dus de "kromming van het heelal" voor
het ganse heelal ineens kunnen gaan onderzoeken.
Naargelang de massa-dichtheid in het heelal, zijn er drie mogelijke
situaties: de kromming van de ruimte kan positief zijn, negatief, of
nul. Ook hier is het zich voorstellen in een 3-dimensionale ruimte
moeilijk, maar kunnen we daarvoor teruggrijpen naar het 2-dimensionale
analogon, zoals in de figuur hiernaast.
Als er geen kromming is, is de ruimte vlak, zoals wij hem ons spontaan
voorstellen. In elke richting kan je dan oneindig ver doorlopen. Het
volume van het heelal is dan oneindig. Deze situatie kan echter enkel
als het heelal "toevallig" nét een welbepaalde massadichtheid heeft, die
we de "kritische massadichtheid" noemen. Men weet dat de kritische
dichtheid erg laag is, zowat het gewicht van 6 waterstofatomen per
kubieke meter.
Bij positieve kromming zien we dat de ruimte een eindig volume heeft (de
bol uit ons analogon heeft een eindige oppervlakte), en dat je, als je
maar lang genoeg rechtdoor gaat, terug op dezelfde plek uitkomt. Dit
kan enkel als de dichtheid van het heelal groter is dan de kritische
massadichtheid.
Bij negatieve kromming is het volume van het heelal terug oneindig. De
massadichtheid moet dan lager zijn dan de kritische massadichtheid. In
twee dimensies heeft een oppervlak met negatieve kromming een zadelvorm.
Evolutie in de tijd
Een andere vraag is hoe het heelal nu verder zal evolueren. De uitdijing
van het heelal wordt tegengewerkt door de zwaartekracht, die juist
probeert alle hemellichamen bij elkaar te houden. Al naargelang de
hoeveelheid materie aanwezig in het heelal doen zich de drie
zelfde gevallen als hierboven voor.
Een eerste mogelijkheid, als we te maken hebben met een heelal met
positieve kromming, is dat ooit de uitzetting van het heelal door de
zwaartekracht tot stilstand zal komen en overgaan in een ineenkrimping,
tot er een omgekeerde Big Bang komt, een big crunch.
In dat geval spreekt men van een gesloten heelal. Dit
wordt geïllustreerd door de gele lijn op de grafiek hieronder.
Als de kromming negatief is (blauwe lijn), zitten we in een open heelal.
De uitdijing wordt door de zwaartekracht wel vertraagd, maar zal nooit
stoppen.
Een "vlak" heelal (groene lijn), is het grensgeval tussen de
twee vorige. Het heelal blijft uitdijen, maar de expansiesnelheid wordt
op den duur willekeurig klein.
Mogelijk is daarmee nog niet alles gezegd. In 1999 onderzochten
astronomen hoeveel de constante van Hubble bedraagt in verafgelegen
melkwegstelsels, om zo te weten te komen hoe de uitdijingssnelheid
van het heelal afneemt met de tijd. Deze metingen hebben echter aangetoond dat de
uitdijingssnelheid niet afneemt, maar toeneemt! Erg recent (2002) werd
dit via een andere meettechniek bevestigd. Indien dit het geval is,
moeten we terugvallen op de rode curve, dat van een heelal met een
toenemende expansiesnelheid. Deze keuze laat verder nog toe dat het
heelal vlak, positief of negatief gekromd is.
Is het heelal nu open of gesloten? Eindig of oneindig?
Uit bovenstaande blijkt dat we dus de massa-dichtheid van het
heelal moeten achterhalen, en dit vergelijken met de kritische
dichtheid, die om en bij de 10-26 kg/m3
bedraagt.
Als we in het heelal rondkijken en het gewicht schatten van al wat we
zien, komen we nog maar op ca. 1% uit van de kritische massa. Zelfs als we
rekening houden met het stof dat we niet kunnen zien maar dat wel
het licht van verderaf gelegen sterren tegenhoudt of verzwakt, komen we hooguit
aan 5%. Moeten we hieruit besluiten dat de dichtheid van het heelal onder de kritische
massadichtheid ligt, en dat we daarom in een open universum leven? Nog niet.
|
|
Donkere materie
|
|
|
Kosmologen vermoeden dat er in het heelal een grote hoeveelheid "donkere
materie" is. Deze materie wordt donker genoemd, omdat men ze via
elektromagnetische golven (licht, radiostraling, ...) niet kan
waarnemen. In tegenstelling tot klassiek stof, verzwakt donkere materie het licht van
verderaf gelegen sterren niet. De gravitationele effecten van donkere materie zijn echter wel
waarneembaar.
Zo merkt men dat melkwegstelsels niet draaien zoals zij
zouden moeten draaien indien ze enkel de zichtbare massa zouden
bevatten. Ook ten opzichte van mekaar bewegen melkwegstelsels niet als
verwacht. Als men veronderstelt dat sterrenstelsels omgeven worden door
een halo van donkere materie, kan men deze bewegingen wel verklaren.
Men heeft verschillende aanwijzingen dat de donkere materie niet uit
gewone atomen of atoomkernen bestaat. Waaruit ze dan wel bestaat, is
nog een raadsel. Het zouden een andere soort elementaire deeltjes
kunnen zijn (neutrino's, nog niet ontdekte deeltjes, ...), of bijzondere objecten (zwarte gaten, MACHO's, ...).
|
|
|
|
Er zijn aanwijzingen dat er in ons heelal een grote hoeveelheid donkere
materie aanwezig is (zie kaderstuk). Gewone en donkere materie samen zouden 30% van de kritische massa kunnen
leveren.
Misschien is het ook niet nodig om de volledige kritische massa te
verzamelen. De recente waarnemingen, die erop zouden wijzen dat we in
een heelal met versnellende uitdijing leven, suggereren het bestaan van
een "kosmologische constante", die een deel van de vereiste massa zou
compenseren... Men spreekt in dit verband soms ook over "donkere
energie". Deze donkere energie zou de gravitatiekrachten, die de
uitzetting proberen af te remmen, tegenwerken. Donkere energie zou de ontbrekende 70% van de kritische dichtheid kunnen
leveren. Er bestaan theorieen over de aard van donkere materie, die met behulp
van de Large Hadron Collider (LHC) hopelijk experimenteel zullen kunnen worden
getoetst. Over de aard van donkere energie, daarentegen, tast men momenteel nog
- letterlijk en figuurlijk - volledig in het duister.
Conclusie
De beste waarnemingen tot hiertoe wijzen uit dat het heelal vlak is, zij het
dat 70% van de kritische dichtheid vertegenwoordigd wordt door donkere energie
die ervoor zorgt dat de expansie na een aanvankelijke vertraging door de
zwaartekracht terug wordt versneld.
Van de overige 30% is het overgrote deel donkere materie. Slechts ongeveer 5%
van de kritische dichtheid wordt ingenomen door klassieke materie en energie,
zoals wij die kennen. Maar ongeveer 1% van de kritische dichtheid bestaat
uit sterren.
Alhoewel het hierboven geschetste beeld bevestigd wordt door de waarnemingen,
blijven kosmologen toch met een reuzengroot ei zitten, omdat zij 95% van de
inhoud van het heelal niet bevredigend kunnen beschrijven. Zo lang moeten we in
onze conclusies hierboven toch nog een slag om de arm houden.
Of het heelal eindig of oneindig is, wij kunnen er alleszins maar een beperkt
deel van zien en ervaren. Als het hierboven geschetste beeld correct is, heeft
de "big bang" 13,7 miljard jaar geleden plaats gevonden. Alleen objecten
waarvan het licht en de straling ons in die tijdsspanne heeft kunnen bereiken,
behoren tot het waarneembare heelal. Wat zich
daarbuiten afspeelt kan men niet meten, maar het kosmologisch principe doet ons
vermoeden dat het daar net is zoals hier.
Verwante links
|
