gov-civil-vilareal.ptHoe snel dijt het heelal uit? Het antwoord hangt af van hoe je het meet, en dat is een probleem
>Het heelal breidt zich uit.
Wauw, ik vind het nog steeds heerlijk om dat op te kunnen schrijven. Het is zo'n prachtige, compacte, eenvoudige verklaring, maar heeft implicaties die zo diepgaand zijn dat het tientallen jaren kan duren voordat we ze allemaal begrijpen. En we weten al een eeuw dat het waar is.
Maar het is waar. We hebben veel onafhankelijke bewijzen die aantonen dat dit zo is. Dit betekent dat het heelal in het verleden kleiner was, en als je de klok ongeveer 13,8 miljard jaar terugdraait, zie je dat alles in de kosmos op een enkele, ongelooflijk hete en dichte plek werd geperst. Draai de klok weer vooruit en je krijgt de eerste momenten van het heelal: de oerknal.
Een enorm belangrijke vraag die natuurlijk opkomt, is: hoe? snel breidt het heelal zich uit? Het blijkt dat verder weg gelegen objecten sneller van ons weg bewegen, dus gebruiken we een vreemde eenheid om de uitdijing te beschrijven: een snelheid per afstand. Verdubbel de afstand en de snelheid waarmee een object zich terugtrekt, verdubbelt ook.
Dit getal in de astronomie heeft een naam: de Hubble-constante. Edwin Hubble probeerde het in het begin van de 20e eeuw te berekenen en sindsdien hebben we het veel kunnen verfijnen. Het is ongeveer 70 kilometer per seconde per megaparsec (een megaparsec, of Mpc, is één miljoen parsecs, of 3,26 miljoen lichtjaar; ter vergelijking, de Andromeda Galaxy is iets minder dan 1 Mpc van ons verwijderd). Dus in een vrij uitdijend heelal zal een object op 1 Mpc afstand van je af bewegen met 70 km/sec. Een object op een afstand van 10 Mpc zal wegrennen met 700 km/sec, enzovoort.
Vreemd, toch? Maar hier komen de dingen echt vreemd. Er zijn een heleboel verschillende manieren om de Hubble-constante te meten. Een daarvan is om dit lokaal te doen, door naar nabije sterrenstelsels te kijken en zowel hun afstanden als hun snelheden te meten. We hebben veel manieren om beide te meten (waar ik zo meteen op in zal gaan). Als je dat doet, krijg je een Hubble-constante van 73 km/sec/Mpc.
Een andere manier is om te kijken naar de vroeg Universum, bij dingen heel ver weg. Ongeveer 375.000 jaar nadat het heelal was gevormd, het was voldoende uitgebreid om transparant te worden . Het was nog steeds heet, en nu, vandaag, zien we die overgebleven warmte de hele lucht doordringen. Terwijl het heelal bleef uitdijen koelde die warmte af (je kunt het ook zien als het licht van die vuurbal dat is geweest) roodverschoven terwijl het heelal zich van ons af uitbreidt). We zien het nu als een continue gloed van microgolven overal waar we kijken.
Door die gloed heel nauwkeurig te onderzoeken, kunnen we veel leren over de toestand van het heelal in die tijd. We kunnen ook de Hubble-constante op die manier berekenen, en het getal dat je krijgt als je dat doet, is ongeveer 67 km/sec/Mpc.
eh. Wacht. Die twee cijfers zijn verschillend. Dat is ongemakkelijk.
Het is echt. En het wordt erger. Alle lokale methoden krijgen het hogere aantal, en alle verre, vroege Universum-methoden krijgen het kleinere aantal. Het is alsof het universum het niet met zichzelf eens is.
nummer 848
Het is als het bouwen van een brug over een kloof, beginnend aan beide uiteinden, alleen om te voorkomen dat de twee elkaar in het midden ontmoeten. Het doet me een beetje denken aan de tekening 'Belvedere' van M.C. Escher. Het heeft geen zin.
M.C. Eschers iconische 'Belvedere', een paradoxaal gebouw waar het perspectief geestverruimend wordt vervormd. Credit: MC Escher
Toen deze getallen voor het eerst werden bepaald, lagen ze er zelfs niet zo ver naast, omdat de onzekerheid in de metingen groot was. Een tijdlang kenden we de Hubble-constante niet tot een factor twee. Maar naarmate de metingen beter werden, begonnen we ze af te splitsen.
Hier wordt het leuk: Een nieuw project heeft geprobeerd het lokale nummer te achterhalen. Het werd geleid door oude vriend en afgestudeerde student-collega Adam Riess (die een belangrijke rol speelde bij het ontdekken dat de universele expansie versnelt - meer over Dat in een oogwenk ook - en heeft verdiend enkele fatsoenlijke lofbetuigingen daarom). Ze gebruikten de Hubble-ruimtetelescoop om naar een heel specifiek soort ster te kijken, een Cepheid-variabele genaamd. Deze sterren zetten uit en krimpen in de loop van de tijd, en worden helderder en zwakker terwijl ze dat doen. Een eeuw geleden werd ontdekt dat de periode, de tijd die ze nodig hebben om op te lichten en te dimmen, verband hield met de totale hoeveelheid energie die ze afgeven.
de hiërofant liefde betekenis
Dat is enorm: het betekent dat als je hun menstruatie kunt meten, je hun helderheid kunt achterhalen. En als je dan meet hoe helder ze lijken, je kunt hun afstand vinden ! Dat is cruciaal, want we zien Cepheïden in andere sterrenstelsels, wat betekent dat ze ons een methode geven om de afstanden tot deze sterrenstelsels te bepalen. In feite was het Hubble's team dat dit in de jaren twintig gebruikte om de afstanden tot enkele nabijgelegen sterrenstelsels te bepalen.
Het team van Riess keek op 7 Cepheïden in ons eigen Melkwegstelsel en maten niet alleen hoe helder ze waren, maar ook hun parallax, hun schijnbare verandering in positie terwijl de aarde rond de zon beweegt (mag ik voorstellen om te kijken naar 'Spoedcursus astronomie: afstanden' ?). Door deze verschuiving over meerdere jaren te meten, kunnen ze erg nauwkeurige afstanden voor deze sterren.
Een ander voordeel is dat we Hubble gebruiken om deze Cepheïden in andere sterrenstelsels waar te nemen, dus dit zet alle waarnemingen op gelijke voet; het is moeilijker om alles consistent te krijgen als je verschillende observatoria gebruikt.
Een van de Cepheid-variabelen, S Vulpeculae, waargenomen met behulp van Hubble. De afstand bleek 10.124 lichtjaar van de aarde te zijn. Andere gemarkeerde sterren werden gebruikt om de afstandsmetingen te kalibreren. Credit: Ries et al.
Dit nieuwe werk heeft de afstandsmetingen tot deze Melkwegcepheïden, die zich op een afstand van zo'n 5500 tot 12.000 lichtjaar bevinden, kunnen verscherpen. Met behulp van deze betere metingen om vervolgens de afstand tot extragalactische Cepheïden te bootsen, ontdekt het team van Riess dat de lokale waarde van de Hubble-constante 73,48 ± 1,66 km/sec/Mpc is, een verandering van ongeveer 4% ten opzichte van de oude waarde.
Maar wat nog belangrijker is, is dat ze de onzekerheid in die waarde, wat betekent dat we denken dat deze waarde nauwkeuriger is. Dat betekent op zijn beurt dat de lagere waarde die wordt gevonden met behulp van vroege Universum-metingen echt is verschillend. Het is niet alleen dat onze metingen wankel zijn; het universum vertelt ons echt dat de dingen toen anders waren. De kans dat dit te wijten is aan toeval of iets dat niet echt is, is ongeveer 1 op 4.600. Ik ga die weddenschap aan. Dit is echt.
Wat betekent dit allemaal? In een notendop betekent dit dat het heelal nu sneller lijkt uit te dijen dan in het verleden. Om duidelijk te zijn, dit wisten we al : Astronomen ontdekten in 1998 dat de universele expansie aan het versnellen was (Riess zat in een van de twee onafhankelijke teams die dit ontdekten). Maar deze nieuwe resultaten lijken erop te wijzen dat de versnelling nog hoger is dan we dachten.
Dit is het Hubble Ultra Deep Field, en bijna alles wat je erin ziet, is een verre melkweg, miljarden lichtjaren verwijderd. Credit: NASA, ESA, H. Teplitz en M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University) en Z. Levay (STScI)
Dus wat doet? Dat gemeen? Dat is een goede vraag, waar er teveel antwoorden mogelijk zijn. Het is mogelijk dat donkere energie, de vreemde entiteit achter de versnelling, sterker is dan verwacht. Misschien groeit het met de tijd; dat is een idee dat al een tijdje wordt rondgegooid. Het punt is, we weten gewoon niet wat voor donkere energie in godsnaam is , waar het van gemaakt is of hoe het zich gedraagt. Deze nieuwe waarnemingen kunnen helpen.
Maar misschien is het nog iets anders. Donkere materie speelt hier ook op in: een vorm van materie waarvan we denken dat deze niet goed samengaat met normale materie en licht, dus het is onmogelijk om direct te zien. Het overtreft de normale materie met een factor 5 in het heelal, en we weten dat het daarbuiten is. Maar als het zich op een ongewone manier gedraagt, zoals misschien een beetje interactie met normale materie, kan dat de manier waarop het universum zelf evolueert in de loop van de tijd veranderen.
Hier gaat het om: We weten het niet . Dit is allemaal vrij nieuw en drijft onze apparatuur en onze theorieën tot het uiterste. Daarom wordt dit nog steeds vastgespijkerd. Bedenk dat we pas sinds ongeveer honderd jaar weten dat er andere sterrenstelsels waren, en dat de expansie de afgelopen 20 jaar versnelt. We zijn nog maar net begonnen om dit uit te zoeken.
Maar mijn favoriete onderdeel van dit alles is dat we zullen zoek het uit. Dat is wat mensen doen; dat is wat de wetenschap doet. Het universum is een behoorlijk verbijsterende plek, en onze hersenen zijn niet echt ontwikkeld om er comfortabel over na te denken. Maar dat is in feite waarom we wetenschap hebben, om ons te helpen begrijpen. Combineer dat met wiskunde, techniek en onze onstuitbare, onverzadigbare nieuwsgierigheid, en zelfs de kosmos zelf zal zijn geheimen aan ons prijsgeven.
Het heelal dijt elke dag sneller uit, maar dat geldt ook voor ons vermogen om het te vernietigen. We halen wel in.
