Heelal

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken
Hubble Interacting Galaxy IRAS 18090 (2008-04-24).jpg

Het heelal of universum in de astronomie ofwel de kosmos in de kosmologie zijn synoniemen voor alle materie en energie binnen het gehele ruimte-tijdcontinuüm waarin wij bestaan. Over het algemeen wordt aangenomen dat het heelal is ontstaan volgens de bigbangtheorie. Volgens de huidige stand van zaken van deze theorie is het heelal circa 13,75 miljard (± 1%) jaar geleden ontstaan.

Er valt voorts nog een onderscheid te maken tussen het 'zichtbare heelal' en het 'theoretische heelal'. Het zichtbare heelal omvat dat deel van het heelal waarvan sinds het "begin der tijden" licht ons heeft kunnen bereiken. Omdat de snelheid van het licht eindig is, is ook het zichtbare heelal gemeten vanaf het "begin der tijden" eindig. Het theoretische heelal omvat de theoretische modellen die in de kosmologie een mogelijke structuur beschrijven waarin het zichtbare heelal wellicht 'ingebed' is. Deze worden behandeld in bijvoorbeeld de verschillende snaartheorieën en de theorie over een mogelijk multiversum.

De oerknaltheorie

Fysische kosmologie
Een afbeelding van het heelal door het WMAP

De Belgische astronoom Georges Lemaître introduceerde in 1927 de theorie dat het universum uitdijt, wat verklaarde dat ver van ons verwijderde sterrenstelsels een roodverschuiving vertoonden. De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble vond twee jaren later experimenteel bewijs voor Lemaîtres theorie. Hij bewees dat alle sterrenstelsels zich van ons verwijderen met een snelheid proportioneel tot de afstand ten opzichte van ons. Dit impliceerde dus ook een begin vanuit een bepaald punt en in 1931 verklaarde Lemaître dat het heelal met de explosie van een oeratoom was begonnen. Laatdunkend werd deze theorie daarom door de Britse astronoom Fred Hoyle "bigbangtheorie" genoemd, een term die is blijven hangen. Het belangrijkste bewijs voor de theorie werd in 1964 ontdekt door Penzias en Wilson die hiervoor de Nobelprijs kregen. Zij ontdekten namelijk (bij toeval; ze waren er niet naar op zoek) de achtergrondstraling die werd voorspeld door de oerknaltheorie.

Van de verst verwijderde sterrenstelsel is de golflengte van het licht met meer dan een factor 6 toegenomen, wat betekent dat het heelal met deze factor is uitgedijd sinds het licht van deze sterrenstelsels vertrok.

WMAP 2010.png

Een foto van de achtergrondstraling 379 000 jaar na de oerknal, gemaakt door het WMAP-team van de NASA. Aan de hand van de temperatuur van de kosmische achtergrondstraling gemeten door de "Cosmic Background Explorer" (COBE) kon worden berekend hoe oud het heelal is. Het moment van de bigbang werd bepaald op 15,556 miljard jaar geleden met een onzekerheid van 24 miljoen jaar. Recenter onderzoek met de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) gaf echter een ouderdom van 13,7 miljard jaar met een onzekerheid van 1% (ca. 137 miljoen jaar). Metingen van ESA, bekendgemaakt in 2013, wijzen op een leeftijd van 13,8 miljard.[1]

De grote-schaalstructuur

Het zichtbare heelal is volgens hedendaagse kennis opgebouwd uit grote groepen superclusters en clusters, die samen met slierten sterrenstelsels (filamenten) een draderig netwerk vormen waartussen zich enorme superholtes bevinden. Deze clusters op hun beurt zijn opgebouwd uit honderden tot duizenden sterrenstelsels. Zo’n cluster kan een diameter hebben van wel enkele tientallen miljoenen tot honderden miljoenen lichtjaren.

De topologie van deze grote-schaalstructuur van het heelal, kan vergeleken worden met die van een zeepsop: de materie van het heelal bevindt zich in de dunne 'vlakke' gebieden, die de betrekkelijk 'lege' superholtes omsluiten. Op de grenzen van de vlakken bevinden zich de filamenten, uitgerekte slierten van sterrenstelsels en op de kruispunten van de filamenten vinden we de clusters. Een andere analogie is die van de spons, waar ook de 'lege' gebieden met elkaar zijn verbonden.

Hubble ultra deep field.jpg
Het Hubble Ultra Deep Field, een miniem stukje van de zichtbare hemel uitvergroot door de Hubble ruimtetelescoop (Nasa & ESA, 2004). Bijna ieder ellipsvormig puntje is een afzonderlijk sterrenstelsel met elk circa 100 miljard sterren. Alleen de weinige exact ronde puntjes zijn sterren van onze eigen melkweg die op de voorgrond staan. In iedere willekeurige richting ziet men ongeveer hetzelfde beeld: een heelal gevuld met miljarden sterrenstelsels. Voor meer details kunt u op het plaatje klikken.

Plaats van de aarde in de kosmos

De plaats van de aarde in de kosmos is niet langer aan geocentrisme of heliocentrisme onderhevig zoals ten tijde van Copernicus en Galilei, en kan zodoende ondertussen redelijk goed gesitueerd worden. Zo maakt de aarde deel uit van :

  • Het zonnestelsel. De aarde bevindt zich dichtbij het centrum van het zonnestelsel, op ongeveer 150 miljoen kilometer ofwel 8 lichtminuten van een gele dwerg die bekendstaat als de zon. De aarde draait rond deze gele dwerg met een gemiddelde snelheid van 30 km/s. De omwenteling is voltooid na één jaar. De aarde bevindt zich op ongeveer 15 à 20 miljard kilometer ofwel 14 à 18 lichtuur van de grens van het zonnestelsel, ook genaamd de heliopauze waar de interstellaire ruimte begint.
  • De Lokale bel. Ons zonnestelsel bevindt zich in de Lokale Bel, een opening in het interstellaire gas met een dichtheid van slechts 1/10 van de omgeving, veroorzaakt door miljoenen jaar oude explosies van supernova's die gas en stof in de buurt wegbliezen. De lokale bel heeft een diameter van 600 tot 800 lichtjaar, en de zon ligt op ongeveer 90 lichtjaar van de rand ervan.
  • De melkweg. Het zonnestelsel bevindt zich op ongeveer 30 000 lichtjaren van het centrum van de melkweg, aan de rand van een van zijn spiraalarmen, met name de Orion-arm. De dichtstbijzijnde buur van ons zonnestelsel is de ster Proxima Centauri op een afstand van 4,2 lichtjaar. Het zonnestelsel draait rond het centrum van de melkweg met een snelheid van 782 460 kilometer per uur (dat is gemiddeld 217,35 km/s). De omwenteling is voltooid na 226 miljoen jaar. De melkweg is ongeveer 100 000 lichtjaar in doorsnee.
  • De melkweg en zijn satellietsysteem. Rond de melkweg draaien 14 dwergstelsels, waarvan de meest bekende de zogenaamde Magelhaense wolken. Andere satelliet-sterrenstelsels zijn genoemd naar het sterrenbeeld waarin ze worden waargenomen, onder andere de Ursa Majordwerg, Fornax, Draco, Ursa Minor dwerg, Leo, Sextans en Sagittarius.
  • De Lokale groep. De melkweg en zijn satellieten maken deel uit van de Lokale Groep, een cluster van zo’n 30 à 40 sterrenstelsels gespreid over een diameter van 10 miljoen lichtjaar. Binnen de lokale groep van sterrenstelsels in een straal van 5 miljoen lichtjaren is ons melkwegstelsel een van de drie grootste. Het dichtstbijzijnde grote sterrenstelsel is de Andromedanevel op een afstand van 2,2 miljoen lichtjaren.
  • De Canes Venatici (wolk). De Lokale Groep maakt deel uit van de Canes Venaticiwolk, een cluster met een doormeter van 23 Mpc ofwel 75 miljoen lichtjaar.
  • De Lokale of Virgosupercluster. De Canes Venaticiwolk maakt samen met de Virgocluster en enkele andere clusters deel uit van de Virgosupercluster of Lokale Supercluster, die meer dan 10.000 melkwegstelsels bevat en een doorsnede van 77 Mpc ofwel 250 miljoen lichtjaar heeft. De Lokale Groep bevindt zich aan de rand van deze supercluster en beweegt zich momenteel van het centrum af, hoewel de vluchtsnelheid afneemt ten gevolge van de aantrekking door het centrum. De Virgosupercluster als geheel wordt versneld in de richting van de Grote Aantrekker, een enorme, in 1986 ontdekte onzichtbare massa op ongeveer 250 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Norma.
  • De Grote Muur. De Lokale Supercluster maakt deel uit van de Grote Muur, ontdekt in 1989, een aaneenrijging van talrijke superclusters, onder andere de Coma- en Hercules-superclusters. De afmetingen zijn gigantisch: 500 miljoen lichtjaar lang en 300 miljoen lichtjaar breed. Naast de Grote Muur zijn er nog andere “muren” (waaronder de Grote Muur van Sloan). De superclusters en muren vormen een draderig netwerk van filamenten, waartussen zich enorme superholtes bevinden.

Sloan Digital Sky Survey

Vanaf 2000 is het Sloan Digital Sky Survey project (SDSS) opgestart door het Astrophysical Research Consortium (ARC) - een samenwerkingsverband van zeven Amerikaanse onderzoeksinstituten - om het huidige universum in kaart te brengen en onze positie daarin. Het totale noordelijk halfrond van de sterrenhemel wordt door meerdere telescopen in kaart gebracht inclusief de deep sky objecten. Dit gecombineerd met radiotelescopie zorgt voor nieuwe gegevens die vrij opvraagbaar zijn via het internet.

Deze eerste fase, SDSS I, is afgerond in juni 2005. In vijf jaar tijd werden meer dan 200 miljoen hemellichamen opgespoord, en de spectra gemeten van meer dan 675 000 sterrenstelsels, 90 000 quasars en 185 000 sterren. Voor de tweede fase, SDSS II, gepland tot juni 2008, is het consortium uitgebreid tot 25 internationale onderzoeksinstellingen. Het onderzoek spitst zich nu onder meer toe op de oorsprong van sterrenstelsels en quasars en het ontstaan en de evolutie van de melkweg.

In juli 2008 startte SDSS III. In deze fase doet men onderzoek naar de donkere energie en de kosmologische parameters, de structuur, dynamica en chemische evolutie van de melkweg, en planetenstelsels. Deze fase zal worden afgerond in 2014.

Het uiteindelijke lot van het heelal

Het uitdijen van het heelal heeft implicaties voor het uiteindelijke lot van het heelal. Het belangrijkste is hierbij de dichtheid van het heelal ofwel de hoeveelheid materie. De meest gangbare mogelijkheden zijn of de "Big Chill, Big Rip" (open heelal), "Big Crunch" (gesloten heelal) en het vlakke heelal.

  • De "Big Chill" neemt aan dat de dichtheid van het heelal zo laag is dat de uitdijing oneindig zal doorgaan, waardoor alle sterrenstelsels steeds verder van elkaar geraken. Ook zal het heelal blijven afkoelen tot 0 Kelvin, doordat de warmte zich over een steeds grotere ruimte zal moeten verspreiden. Zoals het er nu naar uitziet zal het heelal inderdaad op deze manier evolueren, omdat alles erop wijst dat de hoeveelheid donkere materie veel kleiner is dan de zgn. kritische waarde.
  • De "Big Rip" is een variatie op de Big Chill die veronderstelt dat de snelheid van de uitdijing van het heelal steeds zal toenemen, waardoor niet alleen sterrenstelsels, maar uiteindelijk ook sterren, moleculen en atomen uit elkaar zullen worden getrokken. Op die manier zal alle materie zich dusdanig verspreiden dat er niets meer van enige omvang zal bestaan.
  • De "Big Crunch" neemt aan dat dichtheid van het heelal hoog genoeg is om de uitdijing uiteindelijk, door de zwaartekracht van alle materie, te doen stoppen en dat het heelal daarna ineen zal krimpen. Het uiteindelijke lot zal dan de totale ineenstorting van het heelal zijn (eindkrak).
  • Het vlakke heelal. Hierbij is de uitdijende kracht even groot als de zwaartekracht en zet het heelal net vlug genoeg uit om samentrekking te voorkomen. Het heelal zal dan in theorie ooit stoppen met uitdijen, maar oneindig ver in de toekomst. In de grafiek van de uitdijing als functie van de tijd zien we dan een horizontale asymptoot.

Maar de dichtheid van het heelal kan ook worden beïnvloed door externe factoren, bijvoorbeeld als ons heelal wordt omgeven door een nog groter gebied met een hogere dichtheid, waar het uiteindelijk mee in botsing zal komen. Dit hangt nauw samen met het steeds populairder wordende idee van een multiversum.

Uit een onderzoek, dat de beweging van een aantal sterrenstelsels onderzocht, blijkt dat een groot deel daarvan zich naar één punt beweegt, over deze beweging is verder weinig bekend.

Literatuur

Inleidende boeken over het universum:

Zie ook

Externe links

Bronnen, noten en/of referenties