Uitgaande van onze tegenwoordige kennis zijn er drie mogelijke manieren waarop het heelal kan eindigen: de Big Freeze, de Big Rip en de Big Crunch. Wat deze begrippen betekenen, en wat ons waarschijnlijk in de verre toekomst te wachten staat weet je aan het einde van deze korte, maar interessante animatie.
Het heelal kan zo snel uit gaan zetten dat uiteindelijk de tijd stopt: de Big Rip. Het heelal kan blijven uitzetten, maar met een eindige snelheid: de Big Freeze, waarin alle sterren uit zijn gedoofd. Of het heelal stort in elkaar, omdat de zwaartekracht de uitzetting overwint: de Big Crunch.
Op dit moment wijst het voorhanden bewijs vooral op een Big Rip. De uitzettingssnelheid neemt namelijk steeds meer toe. Wel duurt het nog tientallen miljarden jaren voor het zover is. De zon is dan al een witte dwerg.
Zullen wij, of andere heelalbewoners, op tijd kunnen ontsnappen? De Big Rip, of Grote Scheur. Het einde van het heelal?
Het heelal bleek steeds groter te zijn, al naar gelang onze kennis toenam. Waar een oude Romein het op een heelal hield dat binnen het aarde-maan stelsel paste, houden we nu rekening met een waarneembaar heelal van rond de negentig miljard lichtjaar groot. De laatste stand van zaken in deze video van One Minute Physics.
Het heelal is veel groter in ruimtelijke dimensies dan het in de tijdsdimensie is. Het heelal is ongeveer 13,5 miljard jaar geleden ontstaan, terwijl de doorsnede van het waarneembare heelal vele malen meer is. De reden is de uitzetting van het heelal, die voor ver uit elkaar liggende punten sneller verloopt dan de lichtsnelheid.
Het heelal, zoals zich dat in de loop van zijn geschiedenis ontwikkeld heeft. Zoals altijd met wetenschap, is deze visie onderwerp van verandering. Bron: NASA ex. Wikimedia Commons
Uit ongeveer vijftig sterrenstelsels zijn stralingspatronen waargenomen die mogelijk wijzen op een Kardashev-III beschaving. Hoe sterk zijn de aanwijzingen?
Kardashev-I, II en III De Sovjet-astronoom Kardashev deelde beschavingen in aan de hand van hun energieverbruik. Beschavingen die evenveel energie verbruiken als op hun thuisplaneet beschikbaar is, vallen onder Kardashev-I. Beschavingen die alle energie van de centrale ster in hun planetenstelsel af kunnen tappen, classificeerde hij als Kardashev-II. Beschavingen die de energie van een compleet sterrenstelsel af kunnen tappen, rubriceerde hij als Kardashev-III. Tussen de Kardashev-trappen zit ongeveer een factor miljard. Zo heeft een Kardashev-I beschaving de beschikking over alle straling die op aarde valt, plm. 1017 watt, een Kardashev-II beschaving het vermogen van de Zon, 1026 watt. Als mensheid zijn we met een totaal energieverbruik van onder de twintig terawatt (2 * 1013 W) nog op geen duizendste van dit.
Kardashev-II en III-beschavingen zijn waarschijnlijk in staat ruimte en tijd te manipuleren, zoals in Star Trek.
Tekenen van een Kardashev-III beschaving
Een Kardashev-III beschaving tapt alle energie van een sterrenstelsel af. Deze verandering is van astronomische schaal en dus is moeilijk te missen. Een Kardashev-III beschaving heeft zo ingrijpende gevolgen op een sterrenstelsel, dat dit zich radicaal anders zal gedragen dan een ‘maagdelijk’ sterrenstelsel. Een van de sterkste aanwijzingen voor een Kardashev-III stelsel is de straling die het stelsel uitzendt. Alle vormen van leven, variërend van eencelligen tot mensen en ook machines die arbeid verrichten, zetten energie met lage entropie (zoals energierijke straling en elektriciteit) om in energie met hoge entropie (zoals warmte, radio- en infraroodstraling). Als we waarnemen dat een ver sterrenstelsel veel infrarood- en radiostraling uitzendt, is het goed mogelijk dat aliens het sterrenlicht oogsten, of een andere energiebron aftappen.
Vijftig abnormale sterrenstelsels
Dit is precies wat waargenomen is in vijftig sterrenstelsels. De hoeveelheid infraroodstraling die deze uitzenden blijkt abnormaal groot voor het type stelsel waartoe ze behoren. De vijftig sterrenstelsels maken deel uit van een groep van 100.000 sterrenstelsels die door de WISE-missie van NASA onderzocht is. Dit is overigens maar een kleine fractie van de 100 miljard sterrenstelsels in het zichtbare universum. Van een aantal van deze stelsels is er een valide verklaring voor de grote hoeveelheid uitgezonden infraroodstraling: stervorming. Hierbij komt namelijk veel warmte vrij: de gaswolk stort ineen, waardoor de gasmoleculen snelheid krijgen en dus als groep heter worden.
Drie nog onverklaarbaar
Van drie stelsels is er geen verklaring voor de grote hoeveelheid infraroodstraling. Wright en zijn team willen deze drie stelsels gaan napluizen. Zijn ze op het spoor van de Galactische Broederschap, zoals new-age goeroe’s ons leren? Laten we hopen dat er geen superbeschaving ons op staat te wachten. Deze zal ons waarschijnlijk zien als primitief en vervelend ongedierte. Hoe is het immers met de Tasmaniers afgelopen?
De algemene relativiteitstheorie van Einstein leert dat ruimte en tijd kneedbaar zijn. Hoge snelheden en zwarte gaten kunnen ruimte en tijd veranderen en soms zelfs omdraaien.
In de kwantummechanica, en wat dat betreft de klassieke natuurkunde, is de tijdpijl volkomen omkeerbaar. Er zijn zelfs tijdloze varianten van de kwantummechanica geformuleerd. Er is alleen een maar. Er bestaat namelijk wel degelijk een schending van de CP-symmetrie. Dat wil zeggen, dat je niet ongestraft zowel een deeltje in zijn antideeltje kan omzetten, en de andere richting op kan laten vliegen. Het is daarom mogelijk vast te stellen of we vooruit of achteruit in de tijd reizen, door te meten hoe een bundel neutrale kaons uit elkaar valt.
Tijd is nog steeds erg raadselachtig. Bron: Faradayschools.com
De planeetvindersmissie Kepler heeft al meer dan duizend stelsels met exoplaneten opgeleverd. KIC 8462852 is echter anders dan alle andere. Astronomen hebben op dit moment geen goede verklaring voor de bizarre puinring, als dat het is, en houden serieus rekening met een niet-natuurlijke oorsprong…
Hoe werkt Kepler?
Exoplaneten zijn nauwelijks waar te nemen met een telescoop, omdat ze erg lichtzwak zijn vergeleken met het veel fellere licht van de ster waar ze omheen draaien. Astronomen moeten daarom hun toevlucht zoeken tot listigheden. De eerste exoplaneten werden ontdekt door schommelingen van sterren te meten. Als een ster schommelt, betekent dat dat er een zware begeleider omheen draait. Deze methode werkt het beste om zogeheten hete Jupiters te vinden: gasreuzen die zich vlakbij de ster bevinden. Niet voor niets behoorden de eerste exoplaneten tot deze categorie. Steeds gevoeliger instrumenten maken het nu mogelijk om ook planeten met de grootte van de aarde of iets kleiner te vinden.
Kepler maakt gebruik van een andere methode: sterbedekkingen. Als een planeet precies tussen een ster en de aarde beweegt, wordt het licht van de ster iets verzwakt. De kans dat een planeet precies tussen de aarde en de schijf van de bijbehorende ster beweegt is vanzelfsprekend klein, voor een aardachtige planeet ongeveer een half procent. Kepler maakt dit goed door werkelijk onvoorstelbaar grote aantallen sterren tegelijkertijd in het oog te houden: een half miljoen. Daardoor is Kepler er in geslaagd om tot oktober 2015 meer dan duizend exoplaneten te ontdekken.
De bizarre ster KIC 8462852 KIC 8462852 is een F-klasse ster, een iets grotere ster dan de zon (een G-klasse ster), op 1481 lichtjaar afstand van het zonnestelsel. Deze sterren komen veel voor. Wat KIC 8462852 merkwaardig maakt, is de extreme mate van uitdoving tijdens de waargenomen sterbedekkingen. De lichtsterkte van de ster neemt op het dieptepunt met 21 procent af, wat betekent dat een vijfde deel van de sterschijf bedekt moet zijn met iets. Iets massiefs met een doorsnede van een half miljoen kilometer, want daar praten we dan over, is zo groot als een kleine ster.
KIC 8462852 vertoont een merkwaardige uitstulping. Heeft dit iets te maken met de merkwaardige sterbedekkingen?
De ster heeft een rood dwergsterretje als begeleider waarvan de baan erg goed bekend is en overeenkomt met een dubbelster. Er is geen donkere begeleider met een massa van een ster. Het is daarom uit te sluiten dat de bedekking veroorzaakt is door een massief object. Dus moet het om een puinring gaan, zoals bijvoorbeeld de planetoidengordel of de ringen van Saturnus. Een ring, die een vijfde deel van alle sterlicht kan absorberen. Wat kan deze ring zijn?
Verklaringen voor de merkwaardige ring
Er zijn verschillende verklaringen geopperd voor deze ring. Geen van alle zijn ze erg bevredigend. Zo zou het om een wolk uiteenvallende kometen kunnen gaan, losgesleurd uit de omringende Oortwolk van de ster door de rode dwerg-begeleider. Het gaat hier alleen om extreem veel materiaal, veel meer dan door de vrij ijle wolk kometen kan worden verklaard. De ring, als dat het is, bedekt elke twintig dagen de sterschijf. Er is in de buurt van de ster geen verhoogde emissie van infraroodstraling gemeten. Ook stof, of uit de ster weggeslingerd gas, is daarom uitgesloten. Wel is een merkwaardige uitstulping aangetroffen. Zie afbeelding. Dit ondersteunt juist weer de theorie dat het om uit de ster weggerukt materiaal gaat [1].
Kardashev-II beschaving?
Er is een andere mogelijke verklaring, die onder meer door de sterrenkundige Jason Wright is verondersteld. Mogelijk is de ring niet van natuurlijke oorsprong. Een ring met een omloopbaan van twintig dagen moet zich binnen de baan van Mercurius bevinden. Een logische plaats voor een Dysonring, een orbitale structuur die een groot deel van de straling van een ster opvangt. Deze aliens zouden op deze manier een groot deel van de energieproductie van een complete ster oogsten.
In ieder geval voor SETI zijn de aanwijzingen sterk genoeg om de radiotelescopen op dit verre planetenstelsel te richten.
Zwarte gaten doken op als wiskundige oplossing van de algemene relativiteitstheorie, ontdekte de Duitse wiskundige Schwarzschild in 1916 aan het oostfront. Minder bekend onder het grote publiek is dat er een tweede oplossing bestaat, die wiskundig gezien even consistent is: het witte gat. In deze video meer over witte gaten.
Een wit gat is een object, waar je alleen met snelheden hoger dan de lichtsnelheid binnen kan komen. Het tegenovergestelde van een zwart gat dus. Volgens sommige kosmologen vormen zwarte en witte gaten paren, die via wormtunnels verbonden zijn. Via die wormtunnels zou je dan naar een andere tijd, een andere plaats of misschien zelfs naar een ander heelal kunnen reizen.
Wit gat. Bron/copyright: daviddarling.info
Volgens andere kosmologen kunnen witte gaten niet bestaan, omdat ze de Tweede Hoofdwet van de Thermodynamica lijken te overtreden. Iets waar je de gemiddelde natuurkundige geen plezier mee doet, wat ook de reden is dat witte gaten als theoretische objecten een kwijnend bestaan leiden.
We kennen voorbeelden van astronomische objecten die vanwege hun extreme dichtheid niets anders kunnen zijn dan een zwart gat. We kennen geen voorbeelden van witte gaten. Dat hoeft echter niet te betekenen dat ze niet bestaan. Wie weet was de Big Bang in feite een wit gat, zoals een handjevol kosmologen denkt.
Astrofysici Aron Retter en Schlomo Heller van de Universiteit van Tel Aviv in Israël denken dat witte gaten de oorzaak zijn van de raadselachtige gammaflitsen[1]
Vijfzesde van de materie in het heelal bestaan uit materie die we niet waar kunnen nemen, anders dan door zwaartekracht. Natuurkundigen over de hele wereld pijnigen zich de hersenen over de aard van deze materie. Een nieuw, eenvoudig maar krachtig idee wordt de laatste jaren steeds populairder. Zou donkere materie zich vermommen door anapole elektromagnetische velden die elkaar cancelen?
Anapool (boven), elektrische dipool en magnetische dipool (onder).
Anapolen: onzichtbare velden
Eerst een lesje Grieks. Een magneet heeft een noord- en zuidpool, twee polen dus en heet daarom een dipool. Een elektrische lading kan wel los voorkomen en vormt een enkele pool, een monopool. Uiteraard kan van een positieve lading, gescheiden van een negatieve lading, ook een dipool gemaakt worden. Er bestaan ook elektromagnetische velden met vier polen (quadrupolen) en acht polen (octapolen). Anapolen (zonder pool) kennen geen enkele pool. Een anapool veld is van buiten onzichtbaar. Een elektromagnetische onzichtbaarheidsmantel dus. Wat, als donkere-materiedeeltjes door zo’n anapool veld omgeven worden en daarom onzichtbaar zijn? Dit zou verklaren, waarom ze niet waar te nemen zijn.
Majoranadeeltjes
De op mysterieuze wijze in 1934 verdwenen Italiaanse natuurkundige Ettore Majorana veronderstelde dat er fermionische deeltjes bestaan, die hun eigen antideeltjes zijn. Deeltjes met deze eigenschap staan bekend als Majoranadeeltjes. Majoranadeeltjes zijn een aantrekkelijke kandidaat voor donkere materie, omdat ze alleen met elkaar reageren. Tot nu toe zijn er nog geen Majoranadeeltjes gevonden, alleen quasideeltjes met Majorana-eigenschappen. Fotonen zijn hun eigen antideeltjes en kunnen elkaar annihileren, maar dit zijn bosonen, geen fermionen.
Hoe zien anapolen er uit?
Magnetische anapolen zijn oorspronkelijk in 1958 voorgesteld door de briljante Sovjetnatuurkundige Yakov Zel’dovich. In 1977 aangetoond in de atoomkernen van cesium-133 and ytterbium-174. In deze oplossing lopen de magnetische veldlijnen in een ring. De elektrische veldlijnen omcirkelen deze ring als hoepels, zie de bovenste afbeelding in het diagram. Je kan zien dat er geen enkele veldlijn ontsnapt uit deze structuur. De reden dat anapolen vrijwel onmogelijk waar te nemen zijn.
Artist impression van Majorana-anapolen.
Anapolen enige toegestane veld rond Majoranadeeltjes
In een artikel analyseerden de natuurkundigen Robert Scherrer en Chiu Man Ho, die voor Vanderbilt University werken, welke vormen van elektromagnetische velden rond Majoranadeeltjes zijn toegestaan volgens de kwantummechanica. [2] Naar bleek, kunnen alleen anapolen rond Majoranadeeltjes voorkomen.
Hoe sneller, hoe meer wisselwerking
Hoe sneller anapolen bewegen, hoe sterker ze wisselwerken. Bij het ontstaan van het universum zou dan veel donkere materie deze wisselwerking hebben vertoond. Nu is door de veel lagere snelheden wisselwerking zeldzaam, waardoor de donkere materie rond zou blijven kolken.
Zou dit de verklaring voor donkere materie kunnen vormen?
Deze theorie is een erg elegant stukje natuurkunde. Er hoeft geen nieuwe natuurkracht te worden verzonnen, een beroep op de oude, vertrouwde elektromagnetische kracht is voldoende. Twee netelige problemen: de net als hun bedenker al een kleine eeuw vermiste Majoranadeeltjes en een ontbrekende verklaring voor de donkere materie worden in één klap opgelost. Scherrer en Ho tonen ook overtuigend aan, dat alleen een anapool veld rond een Majorana-fermion voor kan komen. Met andere woorden: bestaat het Majorana-fermion, dan moet het een anapool veld hebben, dus vrijwel onwaarneembaar zijn.
Het enige wat ontbreekt aan deze theorie is de detectie van het Majorana-fermion. Door deze duidelijke wiskundige omschrijving is het opzetten van een goed experiment om het deeltje aan te tonen of juist uit te sluiten, wel een stuk eenvoudiger geworden.
Anapolen als onzichtbaarheidsmantel en energieopslag
Zou je in staat zijn zelf grote anapolen te maken, dan zou je hierin energie op kunnen slaan. Ook zou je structuren ‘onzichtbaar’ kunnen maken. Dit laatste is precies wat een groepje Australiërs aan de Australian National University heeft gedaan. [4] Door de ladingen hierbinnen zo te verdelen dat zich een anapool vormde, slaagden de onderzoekers er in, schijfjes silicium op nanoschaal onzichtbaar te maken. Kortom: er zou wel eens een hoorn des overvloeds aan nieuwe technologie en mogelijkheden uit dit principe kunnen vloeien. [5]
Mogelijk stroomt er een waaier van donkere materie uit de aarde.
Bijna 85% van de materie in het universum bestaat uit zogeheten donkere materie: materie die nog niet direct is waargenomen omdat het alleen door middel van zwaartekracht met normale materie wisselwerkt. Volgens simulaties is donkere materie niet gelijkmatig verdeeld, maar vormt de substantie rookringen, schijven en stromen.
Heeft de aarde haren van donkere materie?
Gary Prezeau van het Jet Propulsion Laboratory in Californie vroeg zich af wat er zou gebeuren als een stroom donkere materie de aardbol zou doorkruisen. Volgens zijn rekenmodel zal de zwaartekracht van onze planeet de donkere materiestroom bundelen en concentreren op een punt. Dit lens-effect zou de donkere materie concentreren op een smalle as, die dwars door de kern van de aarde loopt. De dichtheid van donkere materie binnen deze stroom zou op het brandpunt meer dan een miljard maal hoger zijn dan de gemiddelde dichtheid. Ook een gasreus als Jupiter wekt deze stromen op, die in het geval van deze reuzenplaneet rond honderd maal zo geconcentreerd zijn als die van de aarde.
Prezeau noemt deze structuren haren. Het brandpunt, of wortel van een dergelijke haar zou zich op een miljoen kilometer boven de aarde bevinden, iets boven de maan, aldus Prezeau. Op dit moment sparen natuurkundigen kosten nog moeite om donkere materie te vinden in een deeltjesdetector. De resultaten zijn dubbelzinnig. Prezeau stelt dat de kansen om donkere materie te vinden wel eens drastisch toe zouden kunnen nemen, als een detector precies binnen zo’n haar zou worden geplaatst.
Mogelijk verklaart dit ook, waarom sommige detectoren een duidelijk ‘signaal’ van donkere materie waarnemen en andere niet. Deze detectoren liggen dan binnen een dergelijke bundel.
Over ongeveer vier miljard jaar wordt onze Melkweg vernietigd. De reden: een catastrofale botsing met ons buurstelsel, de Andromedanevel. NASA stelde deze spectaculaire animatie samen, die de tijd biljoenen malen versnelt tot meer dan 100 miljoen jaar per seconde.
Is deze botsing een ramp? Sterrenstelsels bestaan voornamelijk uit lege ruimte. De dichtstbijzijnde ster, anders dan de zon, ligt op vier lichtjaar afstand van ons. Dat is 30 miljoen maal meer dan de doorsnede van een ster als de zon. Ter vergelijking: als de zon zo groot als een knikker zou zijn en zich hier in Nederland zou bevinden, zou de dichtstbijzijnde ster een knikker in de Alpen zijn. De kans op sterbotsingen is dus vrij klein.
Omdat er veel gas mee wordt gesleurd, zal er een nieuwe periode van stervorming beginnen, dus een nieuwe periode van leven. Wel betekent dit het einde van de stervorming op langere termijn. Wat resteert is namelijk een ellipsvorming sterrenstelsel, waar de koele gaswolken waaruit zich sterren vormen, bijna zijn verdwenen.
Artist impression van een planeet met zicht op de botsing tussen Andromeda en de Melkweg, vier miljard jaar na nu.
Astronomen troffen een ring van gammaflitsen aan met een doorsnede van rond de vijf miljard lichtjaar. Deze ontdekking, die volgens mainstream kosmologische theorieën onmogelijk is, zet deze op zijn kop, zeggen de ontdekkers.
De structuur is ontdekt door een team van Hongaren en Amerikanen onder leiding van prof. Lajos Balász van het Konkoly Observatorium in Boedapest.
De waargenomen ring van gammaflitsen wijst op een structuur van vijf miljard lichtjaar doorsnee.
Het waarneembare heelal is honderd miljard lichtjaar in doorsnede en het heelal is, volgens recente schattingen, rond de 13,7 miljard jaar geleden ontstaan. Dat maakt wel duidelijk hoe absurd groot deze structuur is.
Gammaflitsen zijn extreem energierijke explosies,die in enkele seconden evenveel energie produceren als de zon in zijn gehele bestaan van tien miljard jaar. Astrofysici denken dat gammaflitsen ontstaan, as extreem zware sterren instorten tot zwart gat. Daarom kunnen gammaflitsen ook op miljarden lichtjaar afstand waargenomen worden en gebruiken astronomen gammaflitsen om de plaats van ver weg gelegen sterrenstelsels te bepalen.
Ring van gammaflitsen
De gammaflitsen die de nieuw ontdekte ring vormen, werden waargenomen door een groep satellieten en op aarde gebaseerde gammatelescopen. De plaatsen van oorsprong van de gammaflitsen lijken alle op een gelijke afstand van ons te staan – rond 7 miljard lichtjaar – in een cirkel met een doorsnede van 36 graden. Dat is meer dan zeventig maal de schijnbare doorsnede van de zon of de maan aan de hemel. Een werkelijk enorme structuur dus. Een eenvoudige berekening leert dan dat de ring een doorsnede van meer dan 5 miljard lichtjaar heeft. Volgens Balász is er minder dan 1:20.000 kans dat dit patroon door toeval ontstond. Als je door een bolschil heenkijkt, lijkt het op een ring. Planetaire nevels, bijvoorbeeld, zien er uit als ringen, maar zijn in feite bolschillen gas van geëxplodeerde sterren. Het team denkt daarom dat het hier ook om een bolschilachtige structuur moet gaan.
Kosmologisch principe
Nu is er alleen een probleem. Volgens de bestaande kosmologische theorieën is deze ring tien maal zo groot als volgens standaard theorieën mogelijk is. De grootste structuren die in de kosmische achtergrondstraling werden gevonden, zijn maar een tiende van deze grootte. Het kosmologische principe stelt dat het heelal er overal ruwweg hetzelfde uitziet. Dat wil zeggen, dat als je bijvoorbeeld vijf miljard lichtjaar ver reist met oneindige snelheid en je kijkt om je heen, het heelal er ongeveer hetzelfde uitziet als hier. Als er dergelijke structuren bestaan als dit, klopt dit niet meer.
Botsing met ander heelal?
Een mogelijkheid die niet geopperd is door Balász en zijn team, maar goed aan zou sluiten bij eerdere waarnemingen van enorme ringen, is een botsing met een ander heelal. Het heelal is volgens de heersende theorieën een vierdimensionale sfeer. Als het heelal bij het uitzetten botst met een ander heelal, zou de botsingszone er uitzien als een boloppervlak. Een fascinerende gedachte. Niet alleen dat er andere heelallen bestaan, maar ook dat we naar een ander heelal kunnen reizen.
