toekomst van het heelal

Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?

Vervaagt het heelal?

Stel, je wordt op een dag wakker en kijkt in de spiegel. Er is iets heel vreemds aan de hand. Je ziet er korrelig en vaag uit, als een slechte kwaliteit beeld dat sterk is opgeblazen. Je gilt,  maar het geluid dat je maakt klinkt spookachtig, als over een slechte telefoonlijn. Vreemd? Toch is dit wat onvermijdelijk gebeurt als twee ideeën, de uitzetting van het heelal en het behoud van kwantuminformatie, allebei kloppen, stelt MIT-kosmoloog Mark Tegmark.

Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?
Zullen wij mensen veranderen in radioactief opgloeiende materie?

De Big Snap en de inflatietheorie
Dit akelige scenario is ook wel bekend als de Big Snap. Het is het logische gevolg als je de snelle uitzetting van het heelal koppelt aan de kwantummechanische voorwaarde dat de hoeveelheid informatie in het heelal altijd gelijk blijft. Als dezelfde hoeveelheid informatie over een groter volume wordt uitgesmeerd, beginnen dingen als atomen en dus ook mensen uit elkaar te vallen.  Het heelal loopt als het ware vast. Een schrale troost: je sterft al door andere oorzaken voor je jezelf ziet vervagen.
Er is gelukkig één maar aan dit  onprettige vooruitzicht. Het is in strijd met de kosmologische theorie van de exponentiële inflatie vlak na de Big Bang.

Nuttig gedachtenexperiment om kwantumzwaartekracht te ontdekken
Tegmark denkt daarom dat dit scenario niet uit zal komen, alhoewel het dus logisch volgt uit beide theorieën. Blijkbaar zit er volgens hem ergens een fout in hetzij de snelle uitzetting van het heelal, dan wel de kwantuminformatie-hypothese. Met dit gedachtenexperiment denkt hij een theoretische koevoet te hebben gevonden om de geheimen van kwantumzwaartekracht los te kunnen wrikken. Voor het andere “idee”, met absurd hoge snelheden proberen de Planck-energie te halen, moeten we een deel of zelfs het complete Melkwegstelsel ombouwen tot deeltjesversneller. Op zich geen gek plan, goed voor de werkgelegenheid de komende paar miljoen jaar, maar gezien de financiële moeilijkheden bij de EU en de Amerikanen zit dat er voorlopig nog niet in.

Heelal onthoudt alles
Informatie gaat volgens de kwantummechanica niet verloren. Elk deeltje en krachtveld is verbonden met een golf. Dit is alles wat we mogelijkerwijs kunnen weten van dat deeltje of veld. Kennen we van elk deeltje de exacte kwantumtoestand (zo heet al die informatie samen), dan kunnen we het heelal volledig beschrijven. Tegmark stelde zich de vraag wat gebeurt in het heelal als dit snel uitzet. Immers: kwantummechanica is onverbiddelijk. Informatie kan niet ontstaan of verdwijnen in het niets.

Einde van de voorspelbaarheid?
Er gaan heel vreemde dingen gebeuren als het beperkte aantal quanta (de informatieinhoud) in het heelal over een steeds groter volume wordt uitgerekt, toonde Tegmark in zijn artikel[1] aan. Zijn redenering komt zonder wiskunde neer op het volgende. Elk stukje ruimtetijd, ook al is het leeg, bevat informatie. De aanwezigheid van zwaartekrachtsvervorming bijvoorbeeld maakt de lege ruimte hier op aarde anders dan die in de gapende leegtes  tussen melkwegclusters. Zo verloopt de tijd hier trager. Om dit te beschrijven heb je informatie nodig. Kwantumtheoretici gaan doorgaans uit van de Plancklengte als elementaire eenheid van lengte. (Dit is overigens experimenteel al weer ontkracht, het is wel duidelijk dat de ware aard van ruimtetijd niets met naieve Euclidische  meetkunde van doen heeft maar goed, daar komen we zo op). Stel je een kubusje van 1x1x1 Plancklengte voor. Of liever: een stukje oppervlak van 1×1 Plancklengte, het heelal is waarschijnlijk een hologram. Dit is volgens deze theoretici een elementaire informatiepixel, een qubit zo ge wil, van het heelal.

Neem maar genoeg van deze qubits, afgrijselijk veel, en op een gegeven moment heb je je heelal. Echter: het heelal zet uit. De elementaire informatie in de qubits is op een gegeven moment uitgesmeerd over een twee keer zo groot volume. Probleem. De Plancklengte blijft namelijk gelijk, dus zijn er nu twee keer zoveel elementaire pixels nodig. Er is dus informatie bijgekomen. En dat is strikt verboden volgens de kwantummechanica. We kunnen niet meer de toekomst voorspellen. Meer filosofisch ingestelde mensen zoals collega-visionair Niek vinden dit prachtig, maar dit brengt theoretici tot wanhoop. Kwantummechanica is namelijk de meest nauwkeurige natuurkundige theorie die er bestaat en een van de twee pijlers waarop de moderne natuurkunde berust.

Levende atoombom
Een andere optie is kwantummechanica intact te laten en aan te nemen dat het nieuwe volume geen nieuwe informatie met zich meebrengt. Met andere woorden: we kunnen het heelal tien miljard jaar geleden, of tien miljard jaar in de toekomst, met hetzelfde aantal bits beschrijven als nu. De makkelijkste manier om je dit voor te stellen is dat elke cel groeit. Er komt wel steeds meer lege ruimte, maar die ruimte wordt steeds korreliger. Op een gegeven moment is de lengte van een elementaire korrel bijvoorbeeld niet meer een Plancklengte (10-35 meter), maar die van de doorsnede van het proton (10-14 meter). Ter vergelijking: een proton zou bij deze vergroting dan zo groot als de aarde zijn. Uiteraard vinden de quarks in een proton dat niet leuk, het evenwicht in atoomkernen wordt totaal verstoord, dus er gaan dan heel grappige dingen gebeuren met atoomkernen. Grappig voor een buitenstaander althans, want veranderen in een levende atoombom is niet fijn om mee te maken.

Moet ik me bij een doomsday sekte aansluiten?
Een subtieler effect is het gedrag van licht. Als ruimte korreliger wordt, zullen zeer energierijke fotonen (die immers zo compact zijn dat ze heel weinig ruimte innemen) meer verstrooid worden en dus langzamer reizen dan zwakke fotonen. Precies dat effect is onderzocht bij gammaflitsen. Dat zijn extreem heftige energieuitbarstingen waarbij zeer energierijke gammafotonen vrijkomen. Is de ruimte inderdaad korrelig, dan moeten de energierijkste fotonen langzamer zijn dan de minder energierijke fotonen. Naar blijkt, bewegen deze precies even snel. De Plancklengte blijkt een hersenspinsel. We zijn een maar paar miljard jaar verwijderd van de voorspelde Big Snap, dus zou deze werkelijk optreden, dan zouden we de gevolgen hiervan merken. Dus wacht nog even met alles verkopen wat je hebt. En van het leven genieten is altijd een goed idee, trouwens.

Dus: of we zijn buitengewoon bevoorrecht dat we de dans zijn ontsprongen, of, waarschijnlijker, zit er een behoorlijke fout in onze theorieën. Ik persoonlijk denk dat die fout in het naieve denken over ruimtetijd schuilt. Planck-kubusjes bestaan niet.

Bronnen
1. Max Tegmark, How unitary cosmology generalizes thermodynamics and solves the inflationary entropy problem, Arxiv.org (2011)

ULIRG's zijn melkwegstelsels waarin veel stervorming plaatsvindt. Nu zijn ze veel zeldzamer dan miljarden jaren geleden. Donkere energie is vermoedelijk de oorzaak.

‘Melkweg ten dode opgeschreven door donkere energie’

Het heelal produceert steeds minder sterren en nu is duidelijk bekend waarom: melkwegstelsels raken hun gas steeds meer kwijt. Ook de vermoedelijke boosdoener is ontmaskerd.

Stervormingsbrandstof
Robert Braun en zijn collega’s van de Australische CSIRO Astronomy and Space Science gebruikten de Mopra radiotelescoop van het instituut in Zuid-Australië om ver weg gelegen melkwegstelsels te bestuderen en deze te vergelijken met nabijgelegen stelsels. Als je naar melkwegstelsels op miljarden lichtjaren afstand kijkt, kijk je als het ware in het verleden. Door deze verre melkwegstelsels te bestuderen kunnen we dus een indruk krijgen hoe ons eigen melkwegstelsel er miljarden jaren geleden uit heeft gezien.

Een opvallende ontdekking: melkwegstelsels van vijf miljard jaar geleden bevatten veel meer moleculair waterstofgas dan vergelijkbare melkwegstelsels in het universum nu, ontdekten de onderzoekers. Sterren vormen zich uit wolken moleculaire waterstof, dat is waterstof waar de atomen paren vormen. Er zijn ook wolken atomaire waterstof waar dat niet het geval is. Hoe minder moleculaire waterstof, hoe minder sterren zich kunnen vormen.

ULIRG's zijn melkwegstelsels waarin veel stervorming plaatsvindt. Nu zijn ze veel zeldzamer dan miljarden jaren geleden. Donkere energie is vermoedelijk de oorzaak.
ULIRG's zijn melkwegstelsels waarin veel stervorming plaatsvindt. Nu zijn ze veel zeldzamer dan miljarden jaren geleden. Donkere energie is vermoedelijk de oorzaak.

Stervorming consumeert alle gas
Astronomen weten al sinds 1995 dat de snelheid van stervorming het hoogste was toen het heelal slechts enkele miljarden jaren oud was en sindsdien sterk is afgenomen. “Ons resultaat laat zien waarom het licht uit gaat, ” aldus Dr Braun. “Stervorming heeft het grootste deel van het beschikbare moleculaire waterstofgas opgebruikt.” Nadat sterren zich vormen, stoten ze gas af gedurende de verschillende stadia die ze doorlopen of bijkvoorbeeld als ze aan het eind van hun leven ontploffen, de welbekende supernova. Al deze processen laten gas terugkeren in de ruimte, waardoor zich weer nieuwe sterren kunnen vormen. Ook ons zonnestelsel bestaat uit dergelijk “tweedehands” gas. Het meeste van het oorspronkelijke gas blijft echter opgesloten in dingen als witte dwergen, neutronensterren en planeten, aldus Braun.

Donkere energie: de intergalactische moordenaar
Het gevolg is dat het moeculaire gas wordt opgebruikt in de loop van de tijd. De afname in hoeveelheid moleculair gas is gelijk aan de afname in de snelheid van stervorming, of zelfs sneller. De uiteindelijke hoofdoorzaak is dat de snelheid waarmee melkwegstelsels worden “bijgevoed” met gas uit de intergalactische ruimte steeds kleiner wordt. Ongeveer tweederde van al het gas in het heelal bevindt zich niet in melkwegstelsels, maar in de lege ruimte daartussen. Het overige gas is betrokken bij stervorming in melkwegstelsels.

Opvallend is dat precies op het moment dat donkere energie steeds sterker begon te worden, de snelheid van stervorming sterk afnam. Tot die tijd was zwaartekracht de overheersende invloed. Het gevolg was dat melkwegstelsels door hun zwaartekrachtswerking grote hoeveelheden gas opslokten. Toen donkere energie het overnam, ongeveer rond de tijd dat de aarde ontstond, werd dit effect veel sterker en begon het universum sneller en sneller uit te zetten. Dit maakte het voor melkwegstelsels steeds moeilijker aan gas te komen om toekomstige generaties van sterren te kunnen vormen, veronderstelt Braun. Wie weet is de zon nog net op tijd ontstaan.

Gebruikte waarnemingstechniek
De melkwegstelsels die als studiemateriaal gebruikt worden voor de Mopra studie zijn ULIRG’s, voluit ultra-luminous infra-red galaxies. Er is van dit type melkwegstelsels namelijk bekend dat ze grote voorraden gas hebben. Omdat ze zo helder zijn, is er al een volledige telling uitgevoerd in het deel van het universum dat de onderzoekers bestudeerden. Hun z-waarde, de roodverschuiving, varieerde tussen de 0,2 tot 0,5. Dit komt overeen met een terugblik van drie tot vijf miljard jaar oud.

Moleculair waterstof is erg lastig direct waar te nemen. Deze studie maakt gebruik van de straling die koolmonoxide (CO) afgeeft om een indruk te krijgen van hoeveel moleculair waterstof er is. Uniek aan deze studie is dat alle bestudeerde melkwegstelsels met de zelfde methode werden bestudeerd (waarnemen van de straling van de CO(1-0) overgang). Er kon hierdoor dezelfde “transitielijn” worden bestudeerd. Elk energetisch proces waarbij atomen of moleculen betrokken zijn heeft een karakteristieke golflengte, die je waar kan nemen als een band in het spectrum, de ‘regenboog’ van elektromagnetische straling die bijvoorbeeld een ster of melkwegstelsel uitzendt.

Bron:
Galaxies are running out of gas: study