Einsteins
‘grootste blunder’ toch correct?
Donkere
energie en de toenemende uitdijingssnelheid van het heelal. - 03-10-2000
Einstein
noemde de kosmologische constante de grootste blunder die hij ooit
beging. Maar nu lijkt het erop dat hij het toch bij het rechte eind
had. En dat heeft grote gevolgen voor de aard en de toekomst van het
heelal.
De
vorm van het heelal
Sinds de ontdekking van de uitdijing van het heelal door Edwin Hubble
begeestert de vraag naar de toekomst van het universum de kosmologische
geesten. Nochtans zijn er maar drie mogelijkheden: het heelal blijft
uitdijen, de uitdijing zal tot stilstand komen, waarna een inkrimping
inzet die uiteindelijk leidt tot een eindkrak (‘the big crunch’) of
het heelal komt tot stilstand, perfect balancerend tussen inkrimping
en uitdijing. Dit werd steeds verbonden met de vorm van het universum,
of, correcter, met de kromming van de ruimtetijd. Een gesloten heelal
zou eindigen in een eindkrak, een open heelal voor altijd blijven
uitdijen en een vlak heelal zou tot stilstand komen.
Deze vormen zijn, omdat zij drie-dimensionaal zijn, moeilijk te beschrijven
maar kunnen wel vergeleken worden met tweedimensionale voorstellingen.
Een gesloten heelal in twee dimensies is als het oppervlak van een
bol (evenwijdige lijnen kruisen elkaar), terwijl een open heelal de
vorm van een zadel heeft (paralelle lijnen verwijderen zich van elkaar).
Een vlak heelal kan dan vergeleken worden met het oppervlak van een
blad papier, waar evenwijdige lijnen mooi parallel lopen.
De vorm van het heelal hangt af van de massa die in het universum
aanwezig is. Een open heelal heeft een lage massa, een vlak universum
heeft een kritische massa en een gesloten heelal heeft een hoge massa.
Dat verklaart meteen waarom een gesloten heelal in een ‘big crunch’
zijn einde vindt: de aantrekkingskracht zal uiteindelijk de uitdijing
van dat heelal stoppen en weer doen inkrimpen. In een open heelal
is te weinig massa aanwezig om de uitdijing tot staan te brengen.
De
inflatietheorie: een vergiftigde oplossing?
Bepalen welke vorm het heelal waarin wij leven heeft, bleek echter
niet zo makkelijk, want daarvoor moet de massa berekend worden. Voor
sommige materie is dat relatief eenvoudig: sterren geven licht en
kunnen dus waargenomen en geobserveerd worden. Andere materiële verschijningsvormen
zijn moeilijker waar te nemen omdat ze geen licht uitstralen. Asteroïden
vormen daar een voorbeeld van. En dan is er nog de mysterieuze donkere
massa, waarvan men nog in onzekerheid over de aard ervan verkeerd,
wat observatie er niet echt makkelijker op maakt.
De oplossing bleek echter uit een andere hoek te komen: de studie
van het begin van het heelal. De traditionele Big Bang theorie had
immers ook met een aantal problemen te kampen. Een van die problemen
werd bevestigd toen COBE (Cosmic Background Explorer) de achtergrondstraling
in beeld bracht, waarvan wordt gedacht dat het een overblijfsel is
van de Big Bang. De temperatuur van die straling bleek opmerkelijk
gelijk te zijn: 2,7 graden boven het absolute nulpunt in alle richtingen.
Een ‘gewone’ Big Bang maakte dit echter bijzonder onwaarschijnlijk,
omdat bepaalde delen van het universum nooit met elkaar in causaal
contact zouden hebben gestaan.
De inflatietheorie loste dit probleem (en een aantal andere) op. De
uitdijing van het heelal zou volgens deze opvattingen niet gelijkmatig
gebeurd zijn, maar in een beginfase een exponentiële groei hebben
gekend, die daarna in een lineaire groei overging. Bij het ingaan
van deze explosieve groeiperiode zouden alle gebieden van het heelal
toch in causaal contact kunnen hebben gestaan. Nadeel was dat dit
model een vlak heelal vereiste, wat inhoudt dat het heelal de kritische
dichtheid benaderde. De kritische dichtheid speelt een rol bij de
berekening van de ouderdom van het heelal. Die wordt op een kleine
12 miljard jaar geschat. Vreemd, want sommige sterren blijken heel
wat ouder zijn. Het makkelijkste leek om de assumptie van de kritische
dichtheid naar de prullenmand te verwijzen. Dat werd ook door een
aantal waarnemingen bevestigd. Zo onderzocht een groep weterschappers
onder de leiding van Saul Perlmutter supernova’s in ver verwijderde
sterrenstelsels. Supernova’s zijn explosies van witte dwergen, die
materiaal uit nabijgelegen sterren opzuigen. De ontploffingen gebeuren
wanneer de witte dwerg een bepaalde kritische massa bereikt. Een meevaller
voor astronomen, want omdat de kritische massa gelijk is, kan verwacht
worden dat supernova’s steeds eenzelfde helderheid hebben. Hoe de
helderheid van een dergelijke explosie op aarde wordt waargenomen
vormt dan een betrekkelijk accurate aanwijzing van de afstand van
de ster.
Het team van Saul Perlmutter ging dan de snelheid na van de supernova’s
om zo de geschiedenis van het heelal in kaart te brengen. Dit onderzoek
leverde echter resultaten op die in tegenspraak waren met de veronderstelling
van de kritische dichtheid. De uitdijing van het heelal wordt onvoldoende
geremd om een kritische massa mogelijk te maken. En deze resultaten
werden ook door andere studies, met andere onderzoeksonderwerpen,
bevestigd. Maar als dit klopte, moest de inflatietheorie verlaten
worden, want deze veronderstelt immers een vlak heelal, dus met een
kritische dichtheid. Terug naar af dan maar?
Einsteins
blunder
Niet helemaal, maar er moest wel een oude notie voor uit de doden
worden opgewekt. Toen Albert Einstein met zijn algemene relativiteitstheorie
op de proppen kwam, zag hij zich met een probleem geconfronteerd.
In die dagen was iedereen, ook Einstein, ervan overtuigd dat het heelal
statisch was. Maar een statisch heelal kan niet in evenwicht zijn,
want zou onder invloed van de zwaartekracht moeten ineenkrimpen. Einstein
voegde daarom de kosmologische constante aan zijn vergelijking
toe, een soort van anti-gravitationele kracht die de zwaartekracht
onder controle houdt. Toen Hubble ontdekte dat het heelal helemaal
niet bewegingsloos is maar uitdijt, verwijderde Einstein de kosmologische
constante uit zijn vergelijking en noemde het de grootste blunder
die hij ooit beging. En zijn vergelijking zag er nu nog eleganter,
want eenvoudiger, uit, dus dat was ook mooi meegenomen.
Maar Einsteins blunder zou enkele decennia later wel eens de redder
van de inflatietheorie kunnen zijn. Als er een antizwaartekracht-kracht
- de kosmologische constante - aan het werk is dan kan deze verantwoordelijk
zijn voor de hogere snelheden van verwijderde sterrenstelsels. De
kritische massa is dan wel aanwezig en zou in principe de uitdijingssnelheid
wel genoeg afgeremd hebben, ware het niet dat de cosmologische constante
hier een stokje heeft voorgestoken. En het bestaan van een cosmologische
constante zou ook het donkere materieprobleem wat minder ernstig kunnen
maken. Zelfs de meest optimistische schattingen komen nog altijd uit
op 5 tot 10 maal te weinig materie om de kritische dichtheid te benaderen.
De cosmologische constante kan dit in een klap oplossen.
En er is meer. Uit het onderzoek naar de roodverschuivingen van de
supernova’s en de sterrenstelsels waartoe ze behoren blijkt dat het
heelal niet vertraagd uitdijt, maar dat deze beweging integendeel
zelfs versneld.
The
Dark Force
Wat die mysterieuze anti-gravitationele kracht dan wel zou zijn is
nog niet duidelijk. Namen zijn wel al ontworpen: vacuüm energie duikt
regelmatig op, maar ook negatieve zwaartekracht, kosmische donkere
energie, nulpunt-energie en zelfs X-materie doen de ronde. Misschien
vanwege het hoge Star Wars-gehalte lijkt ‘donkere energie’ het echter
te gaan halen.
Om deze duistere krachten te onderzoeken stellen medewerkers van het
Berkeley Lab’s Physics Division voor een satelliet te lanceren die
SNAP werd gedoopt, wat staat voor Supernova Acceleration Probe.
Dat zou voor de ultieme bevestiging kunnen zorgen van de onderzoeksresultaten
die de inflatietheorie in moeilijke papieren bracht. En zou mogelijk
ook wat meer informatie kunnen opleveren over de aard van de donkere
kracht. Bovendien zou dit, eens te meer, kunnen leiden tot het herschrijven
van de toekomstvoorspellingen van het heelal. Omdat de invloed van
de zwaartekracht afneemt naarmate het heelal verder uitdijt, maar
de duistere kracht, die zich in het stellaire vacuüm ophoudt, constant
blijft, zou het heelal enkele miljarden jaren na een eerste dergelijke
ervaring, opnieuw in een periode van exponentiële groei terecht kunnen
komen. Dit keer voorgoed. (DdV)
Related links:
De SNAP homepage
©
David de Vaal
