Hoofdstuk 8: Kosmologische implicaties

In de voorgaande hoofdstukken hebben we gezien hoe de algemene relativiteitstheorie van Einstein onze concepten van ruimte, tijd en zwaartekracht radicaal heeft veranderd. De theorie interpreteert zwaartekracht niet als een kracht, maar als een manifestatie van de kromming van de ruimtetijd, waarbij deze kromming wordt veroorzaakt door de aanwezigheid van massa en energie. De Einstein-vergelijkingen beschrijven wiskundig hoe de geometrie van de ruimtetijd wordt bepaald door de verdeling van materie en energie.

Hoewel de implicaties van de algemene relativiteitstheorie spectaculair zijn bevestigd op schalen van het zonnestelsel, komen enkele van de meest diepgaande gevolgen ervan naar voren wanneer we het universum als geheel beschouwen. In dit hoofdstuk zullen we onderzoeken hoe de algemene relativiteitstheorie, toegepast op kosmologie, leidt tot een dramatisch nieuw beeld van een dynamisch, evoluerend universum. We zullen zien hoe de waarnemingen van Edwin Hubble in het begin van de 20e eeuw het eerste bewijs leverden voor een uitdijend universum, en hoe dit idee, in combinatie met de algemene relativiteitstheorie, de basis vormt van het oerknalmodel van de kosmologie. We zullen ook een van de grootste mysteries in de moderne natuurkunde tegenkomen - de aard van donkere energie, een mysterieuze vorm van energie die lijkt te zorgen voor een versnelling van de uitdijing van het universum.

Het uitdijende universum en Hubble's wet

Het verhaal van de moderne kosmologie begint in het begin van de 20e eeuw met het werk van de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble. Met behulp van de 100-inch Hookertelescoop op het Mount Wilson Observatorium in Californië deed Hubble een reeks baanbrekende waarnemingen die onze kennis van het universum zouden veranderen.

Een van Hubble's belangrijkste waarnemingen betrof de aard van bepaalde wazige lichtvlekken aan de nachtelijke hemel die "nevels" worden genoemd. Veel astronomen geloofden dat deze nevels relatief kleine, gasachtige structuren waren binnen onze eigen Melkweg. Hubble slaagde er echter in om individuele sterren binnen sommige van deze nevels te ontdekken en door hun schijnbare helderheid te vergelijken met de helderheid van vergelijkbare sterren in de Melkweg kon hij hun afstand schatten. Tot zijn verrassing ontdekte hij dat deze nevels eigenlijk extreem ver weg waren, ver buiten de grenzen van de Melkweg. Hubble had ontdekt dat het universum veel groter was dan eerder werd gedacht, gevuld met ontelbare "eilanduniversa" - wat we nu sterrenstelsels noemen.

Maar Hubble's meest diepgaande ontdekking kwam toen hij het spectrum van het licht van deze verre sterrenstelsels onderzocht. Hij ontdekte dat de spectraallijnen van bekende elementen systematisch verschoven waren naar het rode einde van het spectrum, een fenomeen dat bekendstaat als roodverschuiving. De mate van deze verschuiving nam toe met de afstand tot het sterrenstelsel. Deze roodverschuiving wordt geïnterpreteerd als een Dopplerverschuiving, veroorzaakt doordat het sterrenstelsel van ons af beweegt. Hoe groter de roodverschuiving, hoe sneller het sterrenstelsel zich verwijdert.

Hubble's waarnemingen leidden tot een opmerkelijke conclusie: het universum breidt zich uit. De sterrenstelsels zijn niet statisch, maar bewegen zich van elkaar af zoals rozijnen in een rijzend brood. Bovendien is de snelheid waarmee een sterrenstelsel zich terugtrekt evenredig met zijn afstand tot ons. Deze relatie staat bekend als de wet van Hubble:

$$v = H_0 d$$

Hierbij is $v$ de terugtreksnelheid van een sterrenstelsel, $d$ is de afstand tot ons en $H_0$ is een constant die bekendstaat als de Hubble-constante. De waarde van de Hubble-constante is een maat voor de huidige uitbreidingssnelheid van het universum.

Hubble's ontdekking van het uitdijende universum was een openbaring. Het keerde de lang gekoesterde overtuiging van een statisch, onveranderlijk heelal om en introduceerde het idee dat het universum een geschiedenis heeft - het is in de loop van de tijd geëvolueerd. Deze realisatie markeerde de geboorte van de moderne kosmologie.

Het oerknalmodel

De ontdekking van het uitdijende universum roept onmiddellijk een diepgaande vraag op: als de sterrenstelsels nu uit elkaar bewegen, waren ze dan in het verleden dichter bij elkaar? Door terug te extrapoleren in de tijd lijkt het erop dat op een bepaald punt in het verre verleden alle massa in het universum geconcentreerd zou zijn geweest in een oneindig dicht punt - een singulariteit. Dit idee vormt de basis van het oerknalmodel van de kosmologie.

Volgens het oerknalmodel begon het universum ongeveer 13,8 miljard jaar geleden in een extreem hete, dichte toestand. Op dit initiële moment was het universum oneindig dicht en oneindig heet. Vervolgens expandeerde en koelde het snel af. Terwijl dit gebeurde, onderging het een reeks faseovergangen, vergelijkbaar met water dat stoom wordt wanneer het wordt verwarmd of ijs wanneer het wordt gekoeld. Deze overgangen leidden tot de vorming van de fundamentele deeltjes en krachten zoals we ze nu kennen.

In de vroegste stadia van de oerknal was het universum een bruisende bron van energie. Naarmate het expandeerde en afkoelde, begon deze energie samen te condenseren tot materie - eerst quarks en elektronen, en later, naarmate het universum verder afkoelde, combineerden deze quarks om protonen en neutronen te vormen. Ongeveer 380.000 jaar na de oerknal was het universum voldoende afgekoeld voor deze protonen en elektronen om samen te smelten tot atomen, voornamelijk waterstof en helium. Deze periode, bekend als recombinatie, markeerde het ontkoppelpunt van materie en straling. Voor dit punt waren fotonen voortdurend aan het interageren met geladen deeltjes, waardoor het universum ondoorzichtig was. Na recombincatie konden fotonen vrij reizen, en werd het universum transparant. De naschijn van deze oerfotonen is vandaag de dag nog steeds waarneembaar als de kosmische achtergrondstraling, ook wel de kosmische microgolf-achtergrondstraling (CMB) genoemd. De CMB werd voor het eerst gedetecteerd in 1965 door Arno Penzias en Robert Wilson. Het is een bijna gelijkmatige achtergrond van microgolven die de hemel vult. Het heeft een thermisch zwarte lichaamspectrum met een temperatuur van ongeveer 2,7 Kelvin en is een indrukwekkende bevestiging van het Big Bang-model. De lichte onregelmatigheden in de CMB, voor het eerst gedetailleerd in kaart gebracht door de COBE-satelliet in de jaren 1990, bieden een momentopname van het universum op het moment van recombinatie en zijn de kiemen waaruit alle toekomstige kosmische structuren - sterrenstelsels, sterren en planeten - zouden groeien door de werking van zwaartekracht.

Het Big Bang-model, gebaseerd op de waarneming van een uitdijend heelal en het bestaan van de CMB, biedt een opmerkelijk succesvolle beschrijving van de geschiedenis van het heelal. Het verklaart de oorsprong van de lichte elementen in het vroege heelal door het proces van Big Bang-nucleosynthese en biedt een kader voor het begrijpen van de vorming van kosmische structuren.

Het model heeft echter zijn problemen. Het standaard Big Bang-model is afhankelijk van verschillende zeer specifieke beginvoorwaarden - het vroege heelal moet extreem uniform zijn, met materie gelijkmatig verdeeld tot een hoge graad van precisie, en het moet een zeer specifieke uitbreidingssnelheid hebben. Afwijkingen van deze voorwaarden zouden leiden tot een heelal dat erg verschilt van wat we waarnemen. Dit probleem van beginvoorwaarden staat bekend als het vlakheidsprobleem en het horizonprobleem.

Bovendien voorspelt het standaard Big Bang-model het bestaan van bepaalde exotische deeltjes, zoals magnetische monopolen, die nog nooit zijn waargenomen. Dit staat bekend als het monopolieprobleem.

Deze problemen werden in de jaren 1980 aangepakt door de theorie van kosmische inflatie. Volgens de inflatietheorie was er in het zeer vroege universum een periode van extreem snelle exponentiële uitbreiding, gedreven door een hypothetisch veld genaamd de inflaton. Deze snelle uitbreiding effende eventuele initiële onregelmatigheden uit, waardoor het universum in een vlakke, homogene toestand terechtkwam. Het verdunde ook elk exotisch deeltje tot onwaarneembare niveaus. Inflatie biedt een elegante oplossing voor de problemen van het standaard Big Bang-model en is een integraal onderdeel geworden van de moderne kosmologie, hoewel de fysieke aard van het inflatonveld nog steeds een mysterie is.

Donkere Energie en het Versnellende Universum

Eind jaren 1990 leidde het onderzoek naar verre supernova's tot een verrassende ontdekking die onze kijk op het heelal opnieuw zou revolutioneren. Supernova's, de explosieve dood van massieve sterren, zijn buitengewoon helder en kunnen gezien worden over enorme kosmische afstanden. Een specifiek type supernova, bekend als Type Ia, is bijzonder nuttig voor de kosmologie. Deze supernova's komen voor wanneer een witte dwergster in een binaire systeem materie verzamelt van zijn begeleider, en uiteindelijk een thermonucleaire explosie veroorzaakt. Omdat de omstandigheden voor deze explosie altijd vergelijkbaar zijn, hebben Type Ia supernova's een zeer consistente intrinsieke helderheid. Door deze intrinsieke helderheid te vergelijken met hun schijnbare helderheid, kunnen astronomen hun afstand bepalen. Ze dienen als "standaardkaarsen" om de schaal van het heelal te meten.

In 1998 gebruikten twee onafhankelijke teams van astronomen, het Supernova Cosmology Project en het High-Z Supernova Search Team, type Ia supernova's om de uitdijing van het heelal te meten. Ze verwachtten dat de uitdijing van het heelal zou vertragen door de zwaartekracht aantrekkingskracht van materie. In plaats daarvan vonden ze het tegenovergestelde: het heelal expandeert met een versnellende snelheid.

Dit resultaat was schokkend en onverwacht. In de standaard kosmologische modellen kon het heelal voor altijd uitdijen met een afnemende snelheid, of uiteindelijk ineenstorten in een "Big Crunch," maar een versnellende uitbreiding werd niet overwogen. De enige manier om deze versnelling te verklaren binnen het kader van de algemene relativiteitstheorie was door een nieuwe component aan het heelal toe te voegen: donkere energie.

Donkere energie is een hypothetische vorm van energie die de ruimte doordringt en een negatieve druk heeft. Volgens de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie draagt de druk van materie en energie bij aan het gravitationele effect. Normale materie heeft een positieve druk, waardoor het gravitationeel samenklontert. Donkere energie, met zijn negatieve druk, heeft het tegenovergestelde effect: het veroorzaakt dat het heelal sneller uitdijt.

Het eenvoudigste model voor donkere energie is de kosmologische constante, aangeduid met de Griekse letter $\Lambda$. De kosmologische constante werd oorspronkelijk geïntroduceerd door Einstein als een aanpassing aan zijn vergelijkingen om een statisch heelal mogelijk te maken. Hij verwierp het later na de ontdekking van Hubble van het uitdijende heelal en noemde het zijn "grootste blunder". Echter, in de context van donkere energie heeft de kosmologische constante een opmerkelijke comeback gemaakt. Het kan worden geïnterpreteerd als de intrinsieke energiedichtheid van het vacuüm.

Het huidige standaardmodel van de kosmologie, bekend als het $\Lambda$CDM-model (Cold Dark Matter met een kosmologische constante), omvat zowel donkere energie in de vorm van $\Lambda$ als donkere materie, een onzichtbare vorm van materie die alleen door zwaartekracht werkt, om de waargenomen structuur en evolutie van het heelal te verklaren. In dit model maakt donkere energie ongeveer 68% uit van de totale energiedichtheid van het heelal, terwijl donkere materie ongeveer 27% uitmaakt. Gewone materie, alles wat we kunnen zien en aanraken, vormt minder dan 5% van het heelal. Terwijl het $\Lambda$CDM-model opmerkelijk succesvol is gebleken in het verklaren van een breed scala aan kosmologische waarnemingen, blijft de fysieke aard van donkere energie een van de diepste mysteries in de natuurkunde. De waargenomen waarde van de kosmologische constante is vele ordes van grootte kleiner dan de waarde voorspeld door de kwantumveldtheorie, een discrepantie die bekend staat als het probleem van de kosmologische constante. Alternatieve modellen van donkere energie, zoals quintessence, dat een dynamisch, evoluerend veld van donkere energie voorstelt, zijn voorgesteld, maar het onderscheid maken tussen deze modellen op basis van waarneming is uitdagend.

De ontdekking van donkere energie heeft diepgaande implicaties voor het uiteindelijke lot van het universum. In een universum gedomineerd door materie zou de expansie uiteindelijk vertragen en omkeren, wat zou leiden tot een Grote Ineenstorting. In een universum met een kosmologische constante daarentegen zal de expansie blijven versnellen, wat zal leiden tot een "Grote Bevriezing." In dit scenario zullen sterrenstelsels uiteindelijk zo snel van elkaar verwijderen dat het licht van het ene sterrenstelsel het andere niet meer zal bereiken. Het universum zal koud, donker en leeg worden.

Conclusie

De toepassing van de algemene relativiteitstheorie op de kosmologie heeft geleid tot een diepgaande transformatie in ons begrip van het universum. Het statische, eeuwige kosmos van Newton is vervangen door een dynamisch, evoluerend universum dat begon met een hete oerknal en sindsdien is uitgezet en afgekoeld. De ontdekking van het uitdijende universum, de kosmische achtergrondstraling en donkere energie hebben een beeld geschetst van een universum dat vreemder en wonderbaarlijker is dan we ons hadden kunnen voorstellen.

Dit beeld is echter verre van compleet. De aard van donkere materie en donkere energie, die samen 95% van het universum uitmaken, is nog steeds onbekend. De fysica van het zeer vroege universum, waar kwantumeffecten belangrijk worden, is nog steeds slecht begrepen. En het uiteindelijke lot van het universum, of het nu voor altijd zal uitdijen of uiteindelijk weer in elkaar zal storten, is nog steeds een open vraag.

Het beantwoorden van deze vragen vereist nieuwe waarnemingen en nieuwe theoretische inzichten. Aankomende kosmologische onderzoeken, zoals de Large Synoptic Survey Telescope en de Euclid-satelliet, zullen de structuur van het universum met ongekende precisie in kaart brengen, nieuwe tests van de algemene relativiteitstheorie leveren en nieuwe beperkingen opleggen aan de aard van donkere energie. Observatoria voor zwaartekrachtsgolven, zoals LIGO en Virgo, zullen een nieuw venster openen op het vroege universum en de natuurkunde van zwarte gaten. En theoretische ontwikkelingen, zoals snaartheorie en luskwantumzwaartekracht, kunnen een kader bieden voor het verenigen van de algemene relativiteitstheorie met de kwantummechanica, een belangrijke stap richting een volledige theorie van kwantumzwaartekracht.

Een eeuw na de revolutionaire theorie van Einstein blijft de studie van het universum een van de meest opwindende en dynamische vakgebieden in de wetenschap. Terwijl we de implicaties van de algemene relativiteitstheorie voor de kosmologie blijven verkennen, kunnen we nog vele verrassingen en onthullingen verwachten in de komende jaren. Het verhaal van het universum, van de oerknal tot de verre toekomst, wordt nog steeds geschreven.