UV-vis-IR-licht, de diepste afbeelding ooit verkregen. De verschillende sterrenstelsels die hier te zien zijn, bevinden zich op verschillende afstanden en roodverschuivingen, en stellen ons in staat de wet van Hubble af te leiden. NASA, ESA, H. Teplitz en M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), en Z. Levay (STScI)
Het heelal is enorm groot, miljarden lichtjaren in alle richtingen gevuld met sterren en melkwegstelsels. Al sinds de oerknal reist licht vanuit elke bron die het heeft voortgebracht, en een klein deel daarvan komt uiteindelijk bij onze ogen aan. Maar het licht plant zich niet alleen voort door de ruimte tussen de plaats waar het is uitgezonden en de plaats waar wij ons nu bevinden; het weefsel van de ruimte zelf dijt uit.
Hoe verder een sterrenstelsel weg is, hoe meer de ruimte-uitdijing het licht dat uiteindelijk bij onze ogen aankomt, rekt – en dus roodverschuift. Als we naar steeds grotere afstanden kijken, zien we dat de roodverschuiving toeneemt. Als we uitzetten hoe deze schijnbare terugtreksnelheid zich verhoudt tot de afstand, krijgen we een mooi, rechtlijnig verband: De wet van Hubble. Maar de helling van die lijn, bekend als de constante van Hubble, is eigenlijk helemaal geen constante. Het is een van de grootste misvattingen in de astronomie.
sterrenstelsels. De punten die niet precies op de lijn vallen, zijn te wijten aan de verschillen in eigenaardige snelheden, die slechts kleine afwijkingen vertonen van de algehele waargenomen uitdijing. De oorspronkelijke gegevens van Edwin Hubble, die voor het eerst werden gebruikt om aan te tonen dat het heelal uitdijt, passen allemaal in het kleine rode vakje linksonder. Robert Kirshner, PNAS, 101, 1, 8-13 (2004)
Er zijn twee manieren waarop we de uitdijing van het heelal begrijpen: theoretisch en door waarnemingen. Als we naar het heelal kijken, zien we een aantal belangrijke feiten over de uitdijing:
- het heelal dijt in alle richtingen even snel uit,
- hoe verder weg een sterrenstelsel staat, hoe sneller het van ons verwijdert,
- en dat dit alleen gemiddeld zo is.
Als we naar individuele melkwegstelsels kijken, zijn er grote verschillen in de snelheden die ze in werkelijkheid hebben, en dat komt door de zwaartekrachtsinteracties van al het andere in het hele heelal.
Onderdichte (blauw/zwart) regio’s van het heelal dichtbij ons. De lijnen en pijlen illustreren de richting van eigenaardige snelheidsstromingen, maar dit alles is ingebed in een weefsel van uitdijende ruimte. Kosmografie van het lokale heelal – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69
Maar dit is geen onoverkomelijk probleem. Het heelal is geen plek waar we maar een paar sterrenstelsels hebben waarvan we de roodverschuiving en de afstand kunnen meten; er zijn letterlijk miljoenen sterrenstelsels waarvan we dit hebben gedaan. Als we een enorme hoeveelheid sterrenstelsels vinden, kunnen we ze samen “binnen”, waarbij we sterrenstelsels in een bepaald afstandsbereik nemen en het gemiddelde ervan berekenen, en zo een gemiddelde roodverschuiving voor hen berekenen. Als we dit doen, vinden we die rechtlijnige relatie die de wet van Hubble definieert.
Hier zit echter de verrassing. Als we naar voldoende grote afstanden kijken, zien we dat de uitdijingssnelheid niet langer die rechte lijn volgt, maar een kromme volgt.
afstand (x-as) komt overeen met een heelal dat in het verleden sneller uitdijde, maar nu nog steeds uitdijt. Dit is een moderne versie van het oorspronkelijke werk van Hubble, dat duizenden malen verder reikt. Merk op dat de punten geen rechte lijn vormen, wat wijst op de verandering van de uitdijingssnelheid in de tijd. Ned Wright, gebaseerd op de nieuwste gegevens van Betoule et al. (2014)
Wanneer we een term als “de Hubble-constante” gebruiken, hebben we het over de helling van die lijn. Als het geen lijn is – dat wil zeggen, als de helling verandert – vertelt ons dat de Hubble-uitdijingssnelheid van het heelal toch niet echt een constante is! We noemen het de Hubble-constante omdat het heelal op elke plek in het heelal even snel uitdijt: de Hubble-constante is overal in het heelal constant
Maar de uitdijingssnelheid, en dus de waarde van de Hubble-constante, verandert met de tijd. Dit is geen raadsel, maar precies wat we verwachten. Om dit te begrijpen, laten we het vanuit het andere gezichtspunt bekijken: theoretisch.
De hyperwall van de Society in 2017, samen met de eerste Friedmann-vergelijking rechts. Perimeter Institute / Harley Thronson
De eerste Friedmann-vergelijking is waar je op uitkomt als je begint met een heelal dat gelijkmatig gevuld is met materie, straling, en welke andere vormen van energie je maar wilt. De enige aannames zijn dat het heelal isotroop is (in alle richtingen gelijk), homogeen (met overal dezelfde gemiddelde dichtheid), en geregeerd wordt door de Algemene Relativiteit. Als je dit aanneemt, krijg je een relatie tussen H, de Hubble-tarief (aan de linkerkant), en alle verschillende vormen van materie en energie in het heelal (aan de rechterkant).
vandaag geschreven (in moderne notatie), waarbij de linkerkant de Hubble-uitdijingssnelheid en de evolutie van de ruimtetijd beschrijft, en de rechterkant alle verschillende vormen van materie en energie omvat, samen met de ruimtelijke kromming. LaTeX / public domain
Interessant is dat naarmate je heelal uitdijt, de dichtheid van materie, straling en energie mag veranderen. Bijvoorbeeld, als je heelal uitdijt, neemt het volume toe, maar het totale aantal deeltjes in je heelal blijft hetzelfde. Dit betekent dat in een uitdijend heelal voor:
- materie, de dichtheid ervan daalt als a-3,
- straling, de dichtheid ervan daalt als a-4,
- en voor donkere energie, de dichtheid ervan constant blijft, evoluerend als a0,
waarbij a de schaalfactor (een benadering voor de afstand of de straal) is van het heelal. Naarmate de tijd verstrijkt, neemt a toe, en daardoor worden verschillende componenten van het heelal belangrijker of minder belangrijk ten opzichte van elkaar.
Kosmologische constante (onder) evolueren allemaal met de tijd in een uitdijend heelal. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Een heelal met een grotere totale energiedichtheid heeft een grotere uitdijingssnelheid. Daarentegen heeft een heelal met een kleinere energiedichtheid een lagere uitdijingssnelheid. Naarmate het heelal ouder wordt, dijt het uit; naarmate het uitdijt, worden de materie en de straling in het heelal minder dicht; naarmate het minder dicht wordt, daalt de uitdijingssnelheid. De uitdijingssnelheid op een bepaald moment bepaalt de waarde van de Hubble-constante. In het verre verleden was de uitdijingssnelheid veel groter, terwijl hij nu de kleinste is die hij ooit is geweest.
De energiedichtheid van het heelal, en wanneer ze zouden kunnen domineren. Als er kosmische slierten of domeinwanden in een aanzienlijke hoeveelheid zouden bestaan, zouden ze een aanzienlijke bijdrage leveren aan de uitdijing van het heelal. Er zouden zelfs extra componenten kunnen zijn die we niet meer zien, of die nog niet zijn verschenen! Merk op dat tegen de tijd dat we vandaag komen, donkere energie overheerst, materie nog enigszins belangrijk is, maar straling te verwaarlozen is. E. Siegel / Beyond The Galaxy
Dus waarom, zou je je kunnen afvragen, lijken de zeer verre sterrenstelsels die we waarnemen deze rechte lijn te volgen? Omdat al het licht dat onze ogen bereikt, van het licht van een sterrenstelsel naast ons tot het licht van een sterrenstelsel dat miljarden lichtjaren verderop staat, allemaal 13,8 miljard jaar oud is tegen de tijd dat het ons bereikt. De leeftijd van alles in het heelal, tegen de tijd dat het ons vandaag bereikt, heeft hetzelfde steeds veranderende heelal doorgemaakt als wij. De Hubble-constante was in het verre verleden, toen veel van het licht werd uitgezonden, hoger, maar het heeft miljarden jaren geduurd voordat dat licht onze ogen bereikte.
Licht kan op een bepaalde golflengte worden uitgezonden, maar door de uitdijing van het heelal wordt het tijdens de reis uitgerekt. Licht dat in het ultraviolet wordt uitgezonden, wordt helemaal naar het infrarood verschoven als je kijkt naar een sterrenstelsel waarvan het licht 13,4 miljard jaar geleden is uitgezonden , maar door de uitdijing van het heelal wordt het uitgerekt als het reist. Licht dat in het ultraviolet wordt uitgezonden, zal helemaal naar het infrarood worden verschoven wanneer men een sterrenstelsel bekijkt waarvan het licht 13,4 miljard jaar geleden is aangekomen. Larry McNish van het RASC Calgary Center
In die tijd is het heelal uitgedijd, wat betekent dat de golflengte van dat licht is uitgerekt. Pas in de afgelopen 6 miljard jaar of zo is donkere energie belangrijk geworden, en we hebben nu het moment bereikt waarop het snel de enige component van het heelal aan het worden is die van invloed is op onze uitdijingssnelheid. Als we teruggaan naar de tijd toen het heelal half zo oud was als nu, dan was de uitdijingssnelheid 80% hoger dan nu. Toen het heelal slechts 10% van zijn huidige leeftijd had, was de uitdijingssnelheid 17 keer zo groot als nu.
Maar als het heelal 10 keer zo oud is als nu, zal de uitdijingssnelheid slechts 18% kleiner zijn dan nu.
onzekerheden in hoe de donkere-energiedichtheid in het verleden en in de toekomst verschillend was/zal zijn. De gegevens wijzen op een echte kosmologische “constante”, maar andere mogelijkheden zijn nog steeds mogelijk. Helaas kan de omzetting van materie in straling de donkere energie niet nabootsen; het kan er alleen voor zorgen dat wat zich eerst als materie gedroeg, zich nu als straling gedraagt. Quantum Verhalen
Dit komt door de aanwezigheid van donkere energie, die zich gedraagt als een kosmologische constante. In de verre toekomst zullen materie en straling beide relatief onbelangrijk worden vergeleken met donkere energie, wat betekent dat de energiedichtheid van het heelal constant zal blijven. Onder deze omstandigheden zal de uitdijingssnelheid een constante, eindige waarde bereiken en daar blijven. In de verre toekomst zal de Hubble-constante een constante worden, niet alleen in de ruimte, maar ook in de tijd.
In de verre toekomst zullen we, door de snelheid en afstand te meten van alle objecten die we kunnen zien, overal dezelfde helling voor die lijn krijgen. De Hubble constante wordt dan echt een constante.
componenten in het Heelal op verschillende tijdstippen in het verleden. Merk op dat wanneer donkere energie in de toekomst een getal van bijna 100% bereikt, de energiedichtheid van het Heelal willekeurig ver vooruit in de tijd constant zal blijven. E. Siegel
Als astronomen wat zorgvuldiger waren met hun woorden, zouden ze H de Hubble-parameter hebben genoemd, in plaats van de Hubble-constante, omdat die in de loop van de tijd verandert. Maar generaties lang waren de enige afstanden die we konden meten dichtbij genoeg dat H constant leek te zijn, en we hebben dit nooit aangepast. In plaats daarvan moeten we er goed op letten dat H een functie van de tijd is, en alleen vandaag – waar we het H0 noemen – is het een constante. In werkelijkheid verandert de Hubble-parameter met de tijd, en is hij alleen overal in de ruimte een constante. Maar als we ver genoeg in de toekomst zouden leven, zouden we zien dat H helemaal niet meer verandert. Hoe voorzichtig we ook kunnen zijn om onderscheid te maken tussen wat feitelijk constant is en wat nu verandert, in de verre toekomst zorgt donkere energie ervoor dat er helemaal geen verschil meer zal zijn.
Volg me op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.