Kosmografie/Structuur en evolutie van het heelal

Afstanden in de ruimte

De afstanden die men in het heelal tegenkomt, zijn zo groot dat de alledaagse meeteenheden hier niet bruikbaar zijn. Er worden daarom speciale eenheden gebruikt.

De astronomische eenheid (AE) is de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon. De aarde bevindt zich dus gemiddeld op precies 1 AE van de zon. 1AE komt overeen met ca. 150 miljoen km.
Het lichtjaar is de afstand die het licht in één jaar aflegt. Dit is 365 x 24 x 60 x 60 s x 299 792 458 m/s = 9,5 x 10¹⁵ m. De dichtstbijzijnde ster op de zon na is Proxima Centauri, die zich op 4,22 lichtjaar afstand bevindt.
De parsec is de afstand die men vanaf de aarde de ruimte moet ingaan, om de gemiddelde afstand aarde - zon onder een hoek van één boogseconde te zien. (De naam parsec is een samentrekking van parallax en boogseconde.) Deze afstand komt overeen met 3,085 677 580 666 31 × 10¹⁶ m, oftewel 3,26 lichtjaar. Voor grotere afstanden gebruikt men soms ook de megaparsec (10⁶ parsec) en de gigaparsec (10⁹ parsec).

Kijk eens naar: Van heel groot (10 miljoen lichtjaar) tot heel klein (quarks) in één filmpje: Powers of ten

Ons Melkwegstelsel

Onze Melkweg is een sterrenstelsel met ruim 200 miljard sterren. Van opzij gezien is het een platte schijf met een verdikte kern (doorsnede 100 000 lichtjaar en dikte 2000 lichtjaar). Het is een spiraalvormig melkwegstelsel en ons zonnestelsel bevindt zich op de Orion-spiraalarm, zowat 27 000 lichtjaar van het centrum. De sterren zijn niet gelijkmatig verdeeld: de dichtheid in het centrum is groter dan in de uiteinden.

Heel de Melkweg roteert om zijn eigen centrum. De omlooptijd van de zon en haar planeten om het centrum is 240 miljoen jaar, terwijl ons zonnestelsel zich tevens op ongeveer 27 000 lichtjaar afstand van het centrum van de Melkweg bevindt. Volgens sommige astronomen draaien alle sterren in de Melkweg rondom een gigantisch zwart gat (bekend als Sagittarius A*) in dit centrum.

Ruimer dan het Melkwegstelsel

Samen met een dertigtal andere sterrenstelsel vormt de Melkweg een Lokale Groep of cluster (doorsnede 2 miljoen lj.). De meeste van de sterrenstelsels zijn kleiner dan onze eigen Melkweg. Alleen de Andromedanevel is groter en vergelijkbaar van vorm, want ook een spiraalstelsel. Het is het enige sterrenstelsel dat wij van op aarde met het blote oog kunnen waarnemen, meer bepaald in het sterrenbeeld Andromeda.

Samen met de Virgocluster en 50 andere clusters vormt onze Lokale Groep de Virgo-supercluster (doorsnede 100 miljoen lj.)

Lange tijd veronderstelden de astronomen dat deze superclusters gelijkmatig verdeeld waren in het heelal. In 1983 werd echter 'De grote holte' ontdekt in het sterrenbeeld Boötes, met een doorsnede van 326 miljoen lichtjaar. In 2004 werd met de WMAP-satelliet op ongeveer acht miljard lichtjaar afstand van de aarde een gigantische 'holte' in het heelal ontdekt. Het gaat om een gebied met een middellijn van ongeveer 1 miljard lichtjaar waarin vrijwel geen sterrenstelsels voorkomen. Ook bevat de superholte geen grote hoeveelheden intergalactisch gas of donkere materie.
Volgens de laatste waarnemingen zou het heelal eerder een sponsachtige structuur hebben, waar de materie uitgespreid ligt rond vele holten.

Meer over melkwegstelsels in Wikipedia

De geschiedenis van het heelal

Het heelal dijt uit: de bigbangtheorie of oerknaltheorie

Sterrenstelsels zenden een ganse reeks van elektromagnetische straling uit. Via spectraalanalyse kunnen de frequenties van deze straling bepaald worden.

De astronoom Hubble stelde rond 1920 een dopplereffect vast in deze frequenties. Het dopplereffect leer je wel kennen in de fysica. Het dopplereffect wijst er op dat de andere galaxieën zich van ons verwijderen. Hubble stelde ook vast dat deze snelheid evenredig was met de afstand van de galaxie tot ons: hoe verder het stelsel, des te sneller verwijdert het zich. Met andere woorden: het heelal dijt uit.

De Leuvense professor Georges Lemaître berekende uit de door Hubble vastgestelde snelheden en de positie van de sterrenstelsels dat ze allemaal ooit uit één punt moeten vertrokken zijn (1927).

Tegenstanders noemden dit spottend ‘the big bang’, maar er zijn ondertussen genoeg bewijzen gevonden om deze theorie te aanvaarden.

De big bang ofwel oerknal heeft volgens de recentste gegevens 13,7 miljard jaar geleden plaatsgehad, met een marge van ±0,1 miljard jaar.

Argumenten voor de big bang

De berekeningen van Lemaître op basis van de waarnemingen van Hubble.
De kosmische achtergrondstraling geeft ons inzage in het prille heelal: de straling die nu als achtergrondstraling wordt waargenomen, kwam 300 000 jaar na de big bang vrij, toen straling zich voor het eerst vrij kon bewegen. Sindsdien is deze straling naar ons onderweg, aan de snelheid van het licht (300 000 km/s). Door de uitdijing van het heelal nam de intensiteit van de straling af en de kosmologische roodverschuiving zorgde ervoor dat wat oorspronkelijk uv, infrarood en zichtbaar licht was, ons nu als radio- en microgolven bereikt.
Via de bigbangtheorie kan men de verhouding van lichte elementen als waterstof en helium die tijdens de oerknal zijn ontstaan, voorspellen. Dit klopt met de waarnemingen.

Het team dat werkt met de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), is er in 2003 in geslaagd een volledige hemelkaart op te stellen van het oudste licht in het universum. De rode kleuren duiden de warmere, en de blauwe kleuren de koudere gebieden van het heelal aan. Net zoals een wereldbol opengeplooid kan worden en voorgesteld door een ovale kaart, is dit ook een projectie van de volledige hemelkoepel. De microgolven, waarmee deze kaart opgesteld is, zijn restanten van het eerste licht, dat 379 000 jaar na de oerknal ontstond. Dat moment noemen de astronomen de 'ontkoppeling'. Het heelal veranderde toen van een homogene subatomaire situatie, waarin er enkel energie was, naar een klonterige kosmos waarin materie een belangrijke rol zal spelen. Men noemt deze afbeelding ook wel de 'babyfoto' van het heelal. (379 000 jaar op 13,7 miljard jaar is in verhouding hetzelfde als de eerste levensdag van een 80-jarige.)

Blijft het heelal uitdijen?

Of de expansie van het heelal blijft doorgaan kan de wetenschap op dit ogenblik niet met zekerheid worden gezegd. Het hangt af van de totale massa die aanwezig is in het heelal, dus inclusief alle donkere materie, en die is momenteel nog onbekend. Theoretisch zijn er drie mogelijkheden:

Er is zoveel massa aanwezig dat de zwaartekracht van de massa het uitdijen afremt en tot stilstand brengt. Daarna trekt het heelal weer samen en eindigt in de ‘big crunch’. Dit is het ‘gesloten heelal’.
De aanwezige massa is te klein om de beweging van de sterrenstelsels te vertragen. Dus blijft het heelal versneld uitdijen en spreekt men van een ‘open heelal’. Deze theorie wordt het meest waarschijnlijk geacht, omdat de verst verwijderde sterrenstelsels zich tevens het snelst van ons af lijken te bewegen (zie ook onder "Gewone materie, donkere materie en donkere energie").
De laatste mogelijkheid is dat er net genoeg massa aanwezig is, zodat het heelal juist snel genoeg expandeert om niet terug samen te trekken: dit is het ‘vlakke heelal.’

Gewone materie, donkere materie en donkere energie

11 februari 2003 is een historische datum voor de astronomie.
Die dag werden de ontdekkingen die met de WMAP gedaan waren, bekend gemaakt.De Wilkinson Microwave Anisotrope Probe is een satelliet die, op zowat 1,5 miljoen km van de aarde, micro-golven uit de kosmos onderzoekt)

De 'babyfoto' van het heelal vormde een eerste verrassend resultaat van het WMAP-onderzoek (zie hoger: 'Argumenten voor de big bang').
Een schatting van de ouderdom van het heelal, die zeer nauwkeurig is, is: 13,7 (+ 0,1) miljard jaar.
De 'gewone materie', bestaande uit de elementen die we kennen en die waarneembaar zijn door de elektromagnetische straling (o.a. licht) die ze uitzenden, vormt slechts 4% van de massa. Daarnaast is er 23% 'donkere materie' en 73% 'donkere energie'.

Door de ontdekking van de enorme hoeveelheid donkere materie lijkt een big crunch (optie 1, vorig punt) voor de handliggend.
Maar daarnaast vormt de donkere energie een nieuw gegeven. En die donkere energie gedraagt zich als een negatieve zwaartekracht, die het uitdijen versnelt. Daarom wordt nu aangenomen dat het heelal zal blijven uitdijen.

Donkere materie

Net zoals zwarte gaten kan donkere materie niet rechtstreeks waargenomen worden. Donkere materie zendt zelf geen licht of andere elektromagnetische straling uit. Donkere materie reageert zelfs niet op licht, door het bv. te absorberen. Het bestaan van donkere materie wordt verondersteld om de waargenomen beweging van verre sterren en afgeplatte spiraalvormig sterrenstelsels (zoals ons eigen Melkwegstelsel) te kunnen verklaren op een wijze die consistent is met de zwaartekrachttheorie en de relativiteitstheorie. De zichtbare materie in deze sterrenstelsels heeft namelijk niet genoeg massa om de bewegingssnelheid van de sterrenstelsels te kunnen verklaren. Om de bewegingssnelheid met de bestaande zwaartekrachttheorie en de relativiteitstheorie te kunnen verklaren, veronderstellen astronomen dat er extra materie aanwezig is, die tot dusverre niet gedetecteerd kan worden. Maar donkere materie oefent wel zwaartekracht uit op sterren en gaswolken. Vooral met behulp van zwaartekrachtlenzen kan de donkere materie opgespoord en gelocaliseerd worden. Waaruit de donkere materie bestaat is nog een groot raadsel. Heel wat astrofysici denken daarbij aan WIMPs (Weakly Interacting massive particles), eerder dan aan de gekende subatomaire deeltjes zoals elektronen, neutronen en protonen. In het heelal kunnen zich naast de vandaag gekende elementaire deeltjes nog andere schuilhouden. Sommige daarvan, zoals het neutralino, worden door de theoretische fysica trouwens voorspeld.

Donkere materie in Wikipedia

Donkere energie

Dat het heelal uitdijt werd hoger al besproken. In de jaren negentig werd ontdekt aan de hand van de studie van verre supernova's, het Supernova Cosmology Project, dat de uitdijing van het heelal zo'n 5 miljard jaar na de oerknal versnelde.
De enige manier om dit te verklaren was het introduceren van een onbekende kracht die zich gedroeg als een negatieve zwaartekracht. Deze kracht noemt men donkere energie. Ook het feit dat de clusters van sterrenstelsels in webachtige filamenten gerangschikt zijn, kan enkel verklaard worden door een soort van anti-zwaartekracht.
Kosmologen hebben voor deze donkere energie nog geen enkele verklaring. Gedacht wordt aan de energie van het vacuüm zelf, de zogenaamde nulpuntsenergie. Dit levert voor de theoretici echter zeer grote problemen op indien deze energie volgens de kwantummechanica wordt berekend.

Donkere energie in Wikipedia