ontstaan van het heelal

Veel kosmologen geloven dat ons heelal maar een eilandje is in een bijna oneindig multiversum. Maar waar komt het multiversum vandaan? Bron: Florida State University

Wiskundig bewezen: heelal had begin

16 reacties / Analyses, Universum, Visionaire vragen, Wetenschap / Door Germen Roding / 26 april 2012 26 april 2012

Kosmologen gebruiken de wiskundige eigenschappen van eeuwigheid om aan te tonen dat als het heelal eeuwig zal blijven bestaan, het een absoluut begin moet hebben gehad.

Big Bang
De Big Bang is een begrip, sinds de getalenteerde natuur- en sterrenkundige Fred Hoyle de term bedacht om de oerknalhypothese te bespotten. Sindsdien is het begrip Big Bang niet meer weg te slaan uit de westerse cultuur. Geen wonder. De Big Bang is in de meest letterlijke betekenis van het woord, het moment waarop alles begon, zelfs de tijd. Hoyle bleef tot het einde van zijn leven geloven in de concurrerende steady state theorie, waarbij het heelal geen einde kent, maar er voortdurend materie uit het niets opduikt.

Steady state theorie
De Big Bang kosmologie is tegenwoordig zo gevestigd – en wordt ook ondersteund door veel astronomisch bewijs – dat concurrerende kosmologische theorieën vaak uit het oog verloren werden.Eén van die theorieën is de genoemde steady state theorie van Hoyle en Chandra Wickramasinghe. In deze theorie is het heelal oneindig ver in het verleden ontstaan en zal het tot oneindig ver in de toekomst blijven bestaan. Beide heren bleven eenlingen die probeerden met allerlei gekunstelde technieken zaken als achtergrondstraling en de te hoge ouderdom van sterrenstelsels te verklaren. Tot voor kort.

Pulserend heelal
Na de millenniumwisseling zijn kosmologen een aantal nieuwe ideeën gaan onderzoeken met steady state-achtige eigenschappen. Eén van die ideeën lijkt veel op de hindoeïstische kosmologie, waarin in één Brahma-leven zeer vele kleinere cycli van ontstaan en verwoesting van een heelal optreden. Een Big Bang wordt in dit model uiteindelijk gevolgd door een Big Crunch (Grote Krak), waarna weer een nieuwe Big Bang ontstaat. Een andere theorie is eeuwige inflatie, waarin verschillende delen van het universum beurtelings uitzetten en inkrimpen met verschillende snelheden. Een vorm van kosmische hartslag dus.

Multiversum
Deze delen kan je ook zien als verschillende universa in een allesomvattend multiversum. Hoewel vanuit ons gezichtspunt we in een uitzettend heelal lijken te leven, kunnen andere universa zeer verschillend zijn. Ons heelal lijkt een duidelijk begin te hebben, maar het multiversum, waar ons universum deel van uitmaakt, hoeft niet perse een absoluut begin te hebben. Ons heelal lag dan voor een oneindige tijd te ‘slapen’, waarna het door een kwantumproces dat wel wat wegheeft van de Wet van Murphy, tot leven is gewekt. Moderne kosmologische theorieën houden rekening met deze mogelijkheid. Daar kan nu verandering in komen.

‘Oneindig verleden wiskundig onmogelijk’
Audrey Mithani en Alexander Vilenkin van Tufts University in het Amerikaanse oostkuststaatje Massachusetts, stellen nu in een nieuw artikel dat deze modellen wiskundig incompatibel zijn met een eeuwigdurend verleden. Inderdaad wijst hun analyse uit dat ook de drie vormen van cyclische universa een begin moeten hebben gehad. Hun argument richt zich op de wiskundige eigenschappen van oneindigheid. Een dergelijk universum (of multiversum) moet namelijk wereldlijnen hebben die zich oneindig ver uitstrekken in het verleden.

Mithani en Vilenkin wijzen op een wiskundig bewijs uit 2003 dat dit soort wereldlijnen in het verleden niet oneindig lang kunnen zijn, als ze onderdeel uitmaken van een universum dat op een bepaalde manier (voor de liefhebbers: zoals beschreven met de Friedmann en Wheeler-DeWitt vergelijkingen) uitzet. Vervolgens tonen ze aan dat cyclische “Brahma” universa en universa die a la Hoyle eeuwig uitzetten, beide op deze manier uitzetten. In de woorden van de auteurs: hoewel inflatie eeuwig kan zijn in de toekomst, kan het niet oneindig in het verleden worden uitgebreid.

Het emergente model, het derde alternatief, blijkt weliswaar volgens de klassieke theorie stabiel, maar in kwantummechanisch opzicht instabiel. Een eenvoudig emergent universum-model kan niet ontsnappen aan kwantumcollaps, aldus de auteurs. Mithani en Vilenkin trekken een onontkoombare conclusie: geen van deze scenario’s kan een oneindig verleden hebben.

Omdat uit waarnemingen blijkt dat ons heelal uitzet, moet het dus in het verleden zijn ontstaan. Een vergaande conclusie. Wel moet de opmerking worden gemaakt dat in deze scenario’s gebruik wordt gemaakt van bijvoorbeeld de zwaartekrachtsconstante G en de kosmologische constante Î›. De vraag is of in een multiversum deze constanten wel in deze vorm voorkomen en of er niet een heel ander mechanisme ten grondslag ligt aan het multiversum. Klopt deze aanname, dan is dit inderdaad een waterdicht bewijs. En wat als de hindoegeleerden uit het grijze verleden toch gelijk hadden? Kali Yuga, het tijdperk waarin we nu leven, duurt nog meer dan vierhonderdduizend jaar. Verder hebben we nog duizenden miljarden jaren voordat dit heelal wordt vernietigd…

Bron
Audrey Mithani en Alexander Vilenkin, Did The Universe Have A Beginning?, ArXiv (2012)

Deze melkwegstelsels waren 'slechts' enkele miljarden jaren oud toen hun licht ze verliet. Ze blijken al over enorme centrale zwarte gaten te beschikken. Het is duidelijk: de zwarte gaten waren er het eerst. Maar waar kwamen ze vandaan?

Zwarte gaten oorzaak vorming eerste melkwegstelsels

7 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 17 september 2011 17 september 2011

Het is een kip of het ei probleem. Wat was er nou eerder, het melkwegstelsel of het superzware zwarte gat in het midden? Voor beide zijn er goede argumenten. Waarnemingen van zeer vroege melkwegstelsels hebben het pleit nu beslecht. Waarmee het volgende raadsel er om schreeuwt opgelost te worden…

Zwart gat veroorzaakt melkwegstelsel
Elk bekend melkwegstelsel heeft een zwaar zwart gat in het centrum, dat fel opflikkert als het sterren of kosmische gaswolken opslokt. Zwarte gaten en melkwegstelsels hebben dus iets met elkaar te maken. Waarschijnlijk veroorzaakt het ene verschijnsel het andere. Maar waarmee begon het? Volgens sommige theorieën zorgt de ophoping van materie in het centrum van een melkwegstelsel er voor dat zich na verloop van tijd zoveel massa ophoopt, dat zich een zwart gat vormt. Volgens andere theorieën is het precies andersom en zijn melkwegstelsels als het ware de accretieschijven van de zwarte gaten in het centrum.

Het pleit lijkt nu beslecht. Er zijn nu vroege melkwegstelsels ontdekt uit het prille begin van het heelal, tien miljard jaar geleden. Het heelal was toen een kwart zo oud als nu. In deze melkwegstelsels is het zwarte gat in het centrum in verhouding tot de rest van het melkwegstelsel disproportioneel groot. Het melkwegstelsel is zo klein dat het niet de materie had kunnen leveren om het zwarte gat te vormen. De conclusie is onontkoombaar. Het zwarte gat is het kosmische ei, waar de kip van het melkwegstelsel uit tevoorschijn kwam.

Mini-melkwegstelsels
Geen erg grote kip trouwens. In die tijd waren melkwegstelsels nog heel klein, ongeveer zo groot als de Magalhaese Wolken, twee dwergstelsels die nu door ons melkwegstelsel worden opgeslokt. De studie waarop hoofdauteur Trump zich heeft toegelegd is onderdeel van CANDELS, de Cosmic Assembly Near-infrared Deep Extragalactic Legacy Survey en gebruikte een krachtig nieuw instrument op de Hubble Space Telescope. De “slitless grism” (vrij vertaald: een combinatie van een prisma met een raster, waarmee een breed beeld is waar te nemen) op de W3FC infraroodcamera van Hubble verschafte gedetailleerde informatie over verschillende golflengtes licht afkomstig van deze melkwegstelsels.

Waar komen de zwarte gaten vandaan?
Omdat de Hubble ruimtetelescoop onovertroffen nauwkeurig is, lukte het de astronomen om licht van zowel het midden (het zwarte gat) als de buitenkant (de schijf) te verzamelen. Ze ontdekten iets verrassends: de onmiskenbare vingerafdruk van een centraal zwart gat. Dit is de eerste keer dat dit ontdekt is. Tot dan toe zijn alleen zwarte gaten in grote stelsels (zoals dat van ons) ontdekt. Wat het volgende raadsel oplevert. Namelijk: waar komen die enorme zwarte gaten vandaan, en waarom vinden we ze niet in dwergstelsels in de buurt? Volgens de standaard kosmologische inflatiemodellen was de kosmos erg effen na de inflatiefase. Door welk merkwaardig proces zijn ze gevormd?

Wat is er met de zwarte gaten in dwergstelsels anno nu gebeurd?
Een mogelijkheid is dat deze melkwegstelsels de voorgangers zijn van de tegenwoordige zware melkwegstelsels zoals onze eigen Melkweg en buurstelsel Andromeda, aldus Trump. Volgens zijn collega Faber roept dit extra vragen op. Om zich anno nu te ontwikkelen tot grote stelsels, hadden de ministelsels veel sneller moeten groeien dan de huidige modellen toelaten. Als het dwergstelsels blijven, zouden de dwergstelsels van nu ook centrale zwarte gaten moeten hebben. Faber denkt daarom dat er zich een grote verzameling kleinere zwarte gaten in dwergstelsels bevindt, die nog niemand waar heeft genomen. Deze voorspelling is te testen. Dwergstelsels genoeg, bijvoorbeeld in de buurt van ons eigen melkwegstelsel. Wel zal dit lastig worden. Is dat dwergstelsel zeer arm in gas, dan valt er geen gas in het zwarte gat en geeft dat zwarte gat nauwelijks straling af.

Vraatzucht zwart gat leidt tot stervorming
Trump nam waar dat de dwergstelsels ongeveer tien keer zo snel sterren vormen als de Melkweg nu doet. Hij acht het mogelijk dat er een verband is tussen stervorming en actieve melkwegkernen (bijvoorbeeld quasars). Als er gas beschikbaar is om nieuwe sterren te vormen, kan dat gas ook het zwarte gat voeden, aldus hem. Verder bewijs voor het bestaan van zwarte gaten werd verkregen uit rÃ¶ntgendata van een andere ruimtetelescoop, Chandra. Beide waarnemingen richtten zich op 28 melkwegstelsels in een klein stukje hemel, het Hubble Ultra Deep Field. De data van alle 28 dwergstelsels werd samengevoegd om zo toch nog een statistisch significant resultaat te krijgen. Deze techniek wil het team later ook voor andere onderzoeken gebruiken. Waarnemingstijd op deze ruimtetelescopen is uiterst schaars en gewild. Naast Trump en Faber deden er daarom 27 anderen mee aan dit onderzoek.

Bron
Small distant galaxies host supermassive black holes, University of California (Santa Cruz), 2011
Jonathan H. Trump et al., A CANDELS WFC3 Grism Study of Emission-Line Galaxies at z~2: A Mix of Nuclear Activity and Low-Metallicity Star Formation, ArXiv.org (2011), (ook gepubliceerd in Astrophysical Letters)

Bestond het vorige heelal uit antimaterie?

‘Vorig universum bestond uit antimaterie’

6 reacties / Universum, Wetenschap / Door Germen Roding / 20 juli 2011 20 juli 2011

Als materie en antimaterie elkaar afstoten, kan de snelle omzetting van materie in antimaterie in een superzwaar zwart gat er precies uitzien als een Big Bang. Verklaart deze bizarre theorie de raadselachtige inflatie?

Big Crunch
Stel, op een gegeven moment houdt het universum op met uitzetten en begint weer in zichzelf te storten. Kortom: het Big Crunch scenario. Daar lijkt het overigens niet erg op, het heelal zet juist steeds sneller en sneller uit. Uiteindelijk wordt het heelal dan een superzwaar zwart gat. De extreme massa van het zwarte gat produceert een extreem sterk zwaartekrachtsveld. Door een zwaartekrachtsversie van het zogeheten Schwinger mechanisme, conmverteert dit zwaartekrachtsveld virtuele deeltjes-antideeltjesparen in echte deeltjesparen. Als het zwarte gat gemaakt is van materie (of juist antimaterie) kan het vol geweld in een fractie van een seconde, onafzienbare hoeveelheden antideeltjes (resp. deeltjes) uitstoten. De uitbarsting zou veel weg hebben van een Big Bang.

Wat is het Schwinger mechanisme?
Het Schwinger mechanisme, ontdekt door de vooraanstaande fysicus Julian Schwinger, komt er op neer dat door een extreem sterk elektrisch veld, het vacuüm uiteen wordt getrokken in deeltjes en antideeltjes. Materie uit het “niets” dus. Deze deeltjes hebben onderling een omgekeerde lading, zodat de paren uit elkaar worden getrokken voor de deeltjes elkaar kunnen vernietigen. Het veld valt dus uiteen in een vloedgolf van deeltjes. De deeltjes worden met een vaste snelheid geproduceerd, alleen afhankelijk van de veldsterkte. Check deze Powerpoint presentatie voor meer info. Schwingers artikel is meer dan vijfduizend maal geciteerd. Desondanks is het Schwinger effect pas onlangs in een experiment aangetoond [1].

Big Bang door antimaterie-afstoting?

De Montenegrijnse natuurkundige Dragan Slavkov Hajdukovic die nu aan het CERN in het Zwitserse GenÃ¨ve werkt, benadrukt dat hij geen idee heeft of die scenario inderdaad 13,7 miljard jaar geleden plaats heeft gevonden – de vermoedelijke geboortedag van het heelal. In een recent artikel in Astrophysics and Space Science[1], beschreef hij een mechanisme dat materie in antimaterie kan omzetten (en andersom). Het gevolg is een cyclisch universum dat beurtelings wordt beheerst door materie of antimaterie. Het ineenstorten van een materie-gedomineerd universum leidt tot een antimaterie-gedomineerd heelal enzovoort.

Hij denkt dat extreme zwaartekracht dezelfde effecten kan hebben als een extreem sterk elektromagnetisch veld, dus ook deeltjes uit het niets tevoorschijn kan toveren. Hierbij gaat hij overigens voorbij aan het feit dat zwaartekrachtsenergie negatief is. Er is nog een discutabel punt: hij gaat er vanuit dat materie en antimaterie elkaar afstoten. Deze afstoting kan ontstaan uit zwaartekracht (antimaterie zou dan antizwaartekracht uitoefenen) of een niet-zwaartekrachtsgerelateerde oorsprong hebben. Hajducovic denkt aan een afstoting tussen materie en antimaterie die alleen op zeer korte afstand werkt.

Zodra het zwarte gat zich gevormd heeft (d.w.z. op het moment dat er een waarnemingshorizon is ontstaan) zou het gravitationele Schwinger-effect een enorme explosie van materie veroorzaken die het zwarte gat uitstroomt. Dat zou dus op dit punt het karakter hebben van een wit gat. Het gevolg: in de praktijk wordt zo materie in een fractie van een seconde omgezet in antimaterie (of andersom). Hajducovic berekende dat er een onvoorstelbare 10¹²⁸ kg omgezet kan worden, verschillende ordes van grootte meer dan de totale massa in het universum. Dat ook in een extreem korte tijd: korter dan de door veel theoretici als fundamenteel beschouwde Plancktijd.

Dit scenario heeft twee implicaties. Ten eerste wordt het universum nooit kleiner dan een paar kilometer. De afmeting van het universum na de kosmische inflatie, nu net het meest problematische deel van de kosmologie. Ook geeft dit scenario een simpele verklaring voor het verschil tussen materie en antimaterie. Er is nu een overmaat aan materie omdat er in het vorige universum een overmaat aan antimaterie was. Net zoals het volgende universum uit antimaterie zal bestaan.

Donkere energie en donkere materie niet meer nodig

Hajducovic wijst erop dat het belangrijk is alternatieven voor de bestaande theorieën te onderzoeken. Zo verklaart het gevierde Standaardmodel en Einsteins algemene relativiteitstheorie donkere materie en donkere energie niet. Samen vormen deze meer dan 95% van het universum. Ook is er volgens hem geen simpel mechanisme dat inflatie verklaart. Hier ben ik het overigens niet mee eens. Kortom: meer hypotheses dan beproefde theorieën. Erg onbevredigend. Hajducovic’s theorie doet daarentegen geen beroep op exotische natuurkunde (afgezien dan van het gravitationele Schwinger-effect, wat me persoonlijk erg onwaarschijnlijk lijkt omdat er deeltjes uit negatieve energie ontstaan, en de al even intuïtief moeilijk verdedigbare zwaartekrachtsafstoting tussen materie en antimaterie. Immers, de energie waar materie en antimaterie uit ontstaan, oefent een positieve zwaartekracht uit. Wel is het uiteraard in theorie mogelijk dat er een ander afstotingseffect bestaat, zoiets als het Pauliverbod (al is ook dat nogal vergezocht).

Hajducovic gaat verder: zo denkt hij dat zwaartekracht leidt tot kwantumpolarisatie van het vacuüm en daardoor tot donkere materie. [3] Hij claimt een opmerkelijke overeenkomst tussen gemeten donkere materie en de voorspellingen van zijn theorie.

Theorie getest

Hij denkt ook dat het mogelijk is om een van zijn uitgangspunten, dat antimaterie wordt afgestoten door zwaartekracht, te toetsen in een experiment. Precies dat gebeurt nu iop het CERN waar hij nu werkt. Het AEGIS-experiment stelt vast of antiwaterstof opstijgt of juist daalt onder invloed van de aardse zwaartekracht. Een andere test komt van de Ice Cube Neutrino Telescope op Antarctica, die antineutrino’s van de reusachtige zwarte gaten in het centrum van de Melkweg en dat van onze buur, het Andromedastelsel.Een ding is in ieder geval zeker. Als Hajducovic het bij het rechte eind heeft, zullen de gevolgen op de natuurkunde – en dus uiteindelijk op onze maatschappij – groot zijn.

Bronnen
1. Kirk T. McDonald, Positron production by laser light, Princeton dept. of High energy Physics, 1997
2. Dragan Slavkov Hajdukovic. â€œDo we live in the universe successively dominated by matter and antimatter?â€ Astrophys Space Sci (2011)
3. Dragan Slavkov Hajdukovic, Is dark matter an illusion created by the gravitational polarization of the quantum vacuum? Astrophysic Space Science, (2011)