De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Toekomst: Wat is het uiteindelijke lot van het heelal?  

heelal0.jpg  Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links
 

 

Wat weten we niet?

Aan het begin van de vorige eeuw maakt Albert Einstein (1879 – 1955) zijn algemene relativiteitstheorie bekend: een totaal nieuwe manier om te kijken naar de relatie tussen materie, ruimte en tijd. De theorie werkt vlekkeloos waar de klassieke mechanica van Newton problemen heeft, zoals de verandering in de baan van Mercurius om de zon en het afbuigen van licht dat langs een sterk zwaartekrachtveld beweegt. Maar de theorie doet ook een aantal bizarre voorspellingen over het gedrag van het heelal op grote schaal. Afhankelijk van onder andere de totale massa in het heelal zou het heelal, in plaats van statisch te zijn, kunnen expanderen. Alexander Friedmann en de Belg Georges Lemaître werken dit idee uit tot een wiskundige en een natuurkundige hypothese. Zou expansie van het heelal echt bestaan?

Om daar iets over te kunnen zeggen heb je van sterrenstelsels informatie nodig over de afstanden en de kosmische expansiesnelheid. Mede door de Nederlandse astronoom Willem de Sitter (1872 – 1934) verandert de kosmologie geleidelijk van een puur theoretisch terrein in een observationele wetenschap. In 1925 beschikt men van 45 sterrenstelsels over spectra waarin spectraallijnen zijn te zien. Ze staan niet helemaal op de juiste plaats maar zijn wat naar de rode golflengten verschoven. Dit roodverschuivingseffect wordt geïnterpreteerd als een dopplereffect, veroorzaakt door de snelheid van ons vandaan, langs de gezichtslijn. Soms tot meer dan 1000 km/s! Maar de de afstanden tot die stelsels is nog onbekend. De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble (1879 - 1955) stort zich op het probleem. Hij ontdekt een verband: hoe verder weg, hoe hoger de snelheid. Het heelal … expandeert inderdaad!

Het heelal is dus ooit een keer begonnen als iets kleins, ontstaan in een Oerknal. In 1950 noemt de Amerikaanse astronoom Fred Hoyle dit laatdunkend de Big Bang; hij gelooft er zelf niets van. Maar met het beschikbaar komen van veel betere telescopen en nauwkeuriger waarnemingen, zoals nu met de Hubble-ruimtetelescoop, is het bewijs niet te weerleggen. Uit het 'Hubble-verband' weten we nu dat het heelal 13,7 miljard jaar geleden is ontstaan. En sindsdien uitdijt.

Wat is het uiteindelijke lot van het heelal? Gaat die expansie eeuwig door? En hoe ziet dat steeds groter wordende heelal er dan precies uit?  

   omhoogomlaag

Wat weten we wel?

Donkere energie. De verst verwijderde sterrenstelsels die we op dit moment kunnen zien, staan 13,2 miljard jaar in het verleden. Het heelal was toen circa 500 miljoen jaar oud. Als we over de lange tijd van toen tot nu nog eens kijken naar de relatie tussen afstand en snelheid van sterrenstelsels langs de gezichtslijn, dan blijkt dat de expansie van het heelal de eerste miljarden jaren constant is. Ongeveer 7 tot 8 miljard jaar geleden is de expansie echter geleidelijk toegenomen, en dat betekent dat het heelal nu versneld (!) uitdijt. Kennelijk is er sprake van een afstotende kracht. De theorie van Einstein laat ruimte voor deze ‘kosmologische constante’ die de expansietoename beschrijft, maar Einstein zelf dacht dat dit een fout in zijn theorie is. De versnelling wordt gevoed door iets dat we aanduiden met ‘donkere energie’. Maar de aard van de donkere energie is een mysterie.

Donkere materie. Uit onder andere de manier waarop sterrenstelsels roteren om hun centrum is ook gebleken dat de meeste sterrenstelsels veel meer massa moeten bezitten dan dat we zien in de vorm van sterren, gas en stof. Er bestaat klaarblijkelijk ook ‘donkere materie’. Als je kijkt naar de totale massa-energie-dichtheid in het heelal (min of meer vergelijkbaar met alles wat zich in het heelal bevindt) dan bestaat 74% van dat alles zich in de vorm van donkere energie, 22% in de vorm van donkere materie en maar 4% in de vorm van ons bekende materie zoals protonen en elektronen. Van 96% van het heelal weten we dus niet waar het uit bestaat. Maar we hebben inmiddels wel een goede schatting over hoe groot de som van dat alles moet zijn. En dat is belangrijk omdat die som (die leidt tot een schatting van de totale zwaartekracht in het heelal) bepaalt wat de toekomst van het heelal wordt.

Met wat we nu weten ziet het er naar uit dat het heelal eeuwig expandeert. De temperatuur van het heelal daalt steeds verder tot het absolute nulpunt. Uiteindelijk gaat de laatste ster uit en is het laatste zwarte gat verdampt: het wordt donker. En de inhoud van het heelal verdunt steeds verder: het wordt leeg. Sterker nog, het zou kunnen zijn dat de versnelling in de uitdijing al maar toeneemt. In uiterste consequentie wordt alle bekende materie uiteen getrokken tot elementaire deeltjes die van elkaar wegschieten. Tegelijkertijd ontwikkelt het heelal zich naar een situatie van een perfect gelijke verdeling van energie. Daarmee verdwijnt iedere vorm van verschil en, filosofisch gezien, ook alle informatie van het vroegere heelal. Zo’n situatie laat zich wiskundig beschrijven als een … een zwart gat.
Lees meer: drie toekomstscenario's voor het heelalDe eerste is dat het heelal expandeert maar dat de zwaartekracht in het heelal de expansie uiteindelijk stopt en omkeert. Dat leidt tot een soort omgekeerde Big Bang: de Big Crunch. Er zou een volgend heelal kunnen ontstaan en misschien is ‘ons’ heelal er wel een uit een oneindige reeks van pulsaties. De tweede is dat de zwaartekracht te zwak is om de expansie te stoppen. Het heelal groeit eeuwig door en zou een éénmalige gebeurtenis kunnen zijn. De derde mogelijkheid zit er tussenin: de zwaartekracht weet juist de expansie te stoppen. Het heelal groeit steeds langzamer tot een zekere ‘vaste’ afmeting en wordt statisch.
 

   omhoogomlaag

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

Je kunt filosoferen over de mogelijkheid dat zo’n eindstadium van het heelal het begin vormt van een volgend heelal, of niet. Theoretici laten zien dat parallel aan ‘ons’ heelal er oneindig veel andere heelallen kunnen bestaan, de zogeheten multiverses (als contrast met universe). Misschien bevatten andere heelallen wel antimaterie en ontstaat er een enorme energieflits als ze ‘botsen’ op ons materieheelal. Er zijn ook scenario’s waarbij de dood van het ene heelal ‘het brood’ is van het andere. En om het nog fascinerender te maken: er zijn astronomen die menen dat ook de donkere energie van ‘toestand’ kan veranderen. Heel kort na de oerknal beleeft het heelal een korte periode van snelle expansie. Misschien dat deze ‘inflatie’ zoals het fenomeen wordt genoemd, veroorzaakt wordt door het vrijkomen van donkere energie, die zich miljarden jaren later anders manifesteert en zorgt voor de nu waargenomen versnelde expansie.
Lees meer: de versnelde expansie van het heelalHet is belangrijk dat we de aard van de donkere materie en donkere energie leren kennen (zie het (http://www.sron.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=3162&Itemid=2822") venster Donkere materie en donkere energie in de categorie Vragen voor de toekomst). Daarnaast is er nog veel theorie-ontwikkeling te doen waarvan het resultaat idealiter is dat we er achter komen waar we naar moeten kijken om onderscheid te maken tussen de verschillende mogelijkheden. Net zoals destijds Willem de Sitter de kosmologie omzette van een theoretische in een observationele wetenschap. Een van de meest fascinerende aspecten van de geschetste toekomstbeelden is die van de steeds groter wordende versnelling van de uitdijing van het heelal.

Dit Grote Uiteen Trekken (The Big Rip) is als theorie ontwikkeld in 2003. Het laat zien dat in een eindige tijd de expansie oneindig kan versnellen, afhankelijk van het gedrag van de donkere energie. Dit gedrag wordt beschreven in de ‘toestandsvergelijking’. In een van de mogelijke toestanden neemt de donkere energie de vorm aan van ‘spookenergie’ (phantom energy): de motor achter oneindige versnelling. Gek genoeg heeft dit fenomeen tot gevolg dat de omvang van het zichtbare heelal steeds kleiner wordt. De ‘grens’ waar het heelal met de lichtsnelheid expandeert, komt steeds dichterbij te liggen. Misschien dat zo’n effect ook ooit echt te meten is?

Zijn er ook ruimtemissies, nu of in de toekomst, die ons helpen om de toekomst van het heelal te ontrafelen? Ja, maar wat toekomstige missies betreft blijft het tot nu toe goeddeels bij plannen en is de realisatie in toenemende mate afhankelijk van de economische omstandigheden. Daarom zijn belangrijke aanwijzingen misschien niet op afzienbare termijn te verwachten. De ruimtemissies richten zich onder andere op de volgende aspecten:



Links  

Wat weten we niet?
Uitdijing van het heelal : http://archive.ncsa.illinois.edu/Cyberia/Cosmos/ExpandUni.html en http://skyserver.sdss.org/dr1/en/astro/universe/universe.asp
Toekomst van het heelal : http://www.eddyechternach.nl/artikelen/uitdijing.html en http://www.eddyechternach.nl/artikelen/heelal.html en http://en.wikipedia.org/wiki/Ultimate_fate_of_the_universe

Wat we weten wel?
Verste sterrenstelsel : http://spacetelescope.org/news/heic1103/
Kosmologische constante : http://map.gsfc.nasa.gov/universe/uni_accel.html
Donkere energie en donkere materie : http://science.nasa.gov/astrophysics/focus-areas/what-is-dark-energy/
Donkere materie : http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/know_l1/dark_matter.html en http://astro.berkeley.edu/~mwhite/darkmatter/dm.html en http://chandra.harvard.edu/xray_astro/dark_matter/index.html
Inflatie : http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_cosmo_infl.html

Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Kosmische achtergrondstraling : http://map.gsfc.nasa.gov/universe/bb_tests_cmb.html
ESA’s Planck missie : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=17
Project ACT : http://wwwphy.princeton.edu/act/
Project QUIET : http://quiet.uchicago.edu/instrumentation/index.html#Telescopes
Hubble relatie : http://www.answersingenesis.org/tj/v9/i1/hubble.asp
ESA’s Herschel-satelliet : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=16
SPICA en SAFARI : http://www.ir.isas.jaxa.jp/SPICA/SPICA_HP/index_English.html en /astrophysics-spica-safari
Hubble-ruimtetelescoop : http://hubble.nasa.gov/ en http://hubblesite.org/gallery/
NASA’s Chandra : http://www.nasa.gov/mission_pages/chandra/main/index.html
ESA’s XMM-Newton : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=23
Neutrino-onderzoek : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=23
Meer informatie over EUCLID : http://sci.esa.int/science-e/www/area/index.cfm?fareaid=102

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal1.jpg
Het Andromedastelsel staat op ongeveer twee miljoen lichtjaar afstand en is het meest nabije grote sterrenstelsel
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal2.jpg
Edwin Hubble had een belangrijk aandeel in de ontdekking van de expansie van het heelal
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal3.jpg
Cepheïden zijn bepaalde type veranderlijke sterren waarvan de lichtwisselingsperiode aangeeft hoe helder de ster is. Ze werden ook ontdekt in het Andromedastelsel en daarmee kon de afstand tot het stelsel nauwkeurig worden berekend
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal4.gif
De Hubble relatie legt een verband tussen de afstand van een sterrenstelsel en de snelheid waarmee hij van ons afbeweegt. De snelheid is te meten via roodverschuiving van spectraallijnen: het Doppler-effect
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal5.jpg
Verschillende heelalmodellen. Wij blijken te leven in een heelal dat steeds verder en sneller zal uitdijen
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal6.jpg
Geschiedenis van het heelal in een oogopslag. Wij bevinden ons geheel rechts aan het einde van de 'toeter' en de Big Bang bevindt zich in de punt links
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal7.jpg
De sterrenstelsels op de grootst bekende afstanden vinden we onder andere op langbelichte opnamen van de Hubble Space Telescope
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal8.jpg
Donkere materie. De verdeling van donkere materie in de cluster van sterrenstelsels CL0025+1654 is afgeleid van de gravitatielens-effecten rond de cluster

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal10.jpg
De toekomst" versnelde expansie van het heelal en afnemende dichtheid als gevolg van donkere energie
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal11.jpg
Multiverses: is ons heelal er een van velen?
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal12.jpg
ESA's Planck-missie brengt de microgolf-achtergrondstraling van het heelal nauwkeurig in kaart
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal13.jpg
Kaart van de hemel met metingen van ESA's Planck-missie. De variaties in de achtergrondstraling duiden om dichtheidsfluctuaties in het jonge heelal
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal14.jpg
Het ATC-project voor het meten van achtergrondstraling
heelal15.jpg
Studie van de QUIET-missie
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal16.jpg
ESA's Herschel satelliet onderzoekt submillimetergolven uit het heelal. Een van de onderzoeksthema's bestaat uit de eerste generatie sterrenstelsels
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal17.jpg
ESA's Herschel-satelliet kijkt ook naar effecten rond zwaartekrachtslenzen
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal18.jpg
Japan werkt aan SPICA, een toekomstige infraroodsatelliet waarvoor SRON het SAFARI instrument ontwikkelt
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal19.jpg
NASA's James Webb Space Telescope heeft last van kostenoverschrijdingen en vertragingen maar moet over enkele jaren dan toch starten aan het onderzoek naar het vroege heelal
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal20.jpg
Supernova in het stelsel UGC112 ontdekt door een Ierse amateursterrenkundige

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal21.jpg
Gravitatielens. De bogen bestaan uit licht van een achtergrondstelsel. De lenzen vormen een buitenkansje om ver weg te kijken in het heelal
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal22.jpg
De Hubble Space Telescope is bezig aan zijn laatste operationele fase en nog steeds een van de belangrijkste sterrenkundige satellieten
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal24.jpg
ESA's XMM-Newton rontgensatelliet
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal25.jpg
Onderzoek naar zeer ver weg gelegen stelsels op een opname van de Hubble Space Telescope
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_vragen_heelal26.jpg
Zeer lang 'belichte' opname van ESA's XMM-Newton rontgensatelliet. Sommige bronnen blijken in het zeer jonge heelal te staan



SCROLL TO TOP