In het begin van de 20e eeuw keek een jonge wetenschapper genaamd Albert Einstein naar de eigenschappen van licht en massa en hoe ze zich tot elkaar verhouden. Het resultaat van zijn reflecties was de relativiteitstheorie. Zijn werk veranderde de moderne natuurkunde en astronomie op een manier die vandaag de dag nog steeds voelbaar is. Elke student bestudeert hun beroemde E=MC2-vergelijking om te begrijpen hoe massa en energie gerelateerd zijn. Dit is een van de fundamentele feiten van het bestaan van de kosmos.
Wat is de kosmologische constante?
Hoe diep de vergelijkingen van Einstein voor de algemene relativiteitstheorie ook waren, ze vormden een probleem. Hij probeerde uit te leggen hoe massa en licht in het universum bestaan, hoe hun interactie kan leiden tot een statisch (dat wil zeggen, niet uitdijend) universum. Helaas voorspelden zijn vergelijkingen dat het zou krimpen of uitzetten, en dat voor altijd zou blijven doen, maar uiteindelijk een punt zou bereiken waarop het zou krimpen.
Het voelde niet goed voor hem, dus Einstein moest een manier uitleggen om de zwaartekracht vast te houden,om het statische universum te verklaren. De meeste natuurkundigen en astronomen van zijn tijd gingen er immers gewoon van uit dat dit het geval was. Dus vond Einstein de Fudge-factor uit, de 'kosmologische constante' genaamd, die orde gaf aan de vergelijkingen en resulteerde in een universum dat niet uitzet of inkrimpt. Hij bedacht het teken "lambda" (Griekse letter), dat de energiedichtheid in het vacuüm van de ruimte aanduidt. Het controleert de uitbreiding en het ontbreken ervan stopt dit proces. Nu was er een factor nodig om de kosmologische theorie te verklaren.
Hoe te berekenen?
Albert Einstein presenteerde op 25 november 1915 de eerste versie van de algemene relativiteitstheorie (GR) aan het publiek. De oorspronkelijke vergelijkingen van Einstein zagen er als volgt uit:
In de moderne wereld is de kosmologische constante:
Deze vergelijking beschrijft de relativiteitstheorie. Een constante wordt ook wel een lambdalid genoemd.
Galaxies en het uitdijende heelal
De kosmologische constante repareerde de dingen niet zoals hij had verwacht. Eigenlijk werkte het, maar slechts voor een tijdje. Het probleem van de kosmologische constante is niet opgelost.
Dit ging zo door totdat een andere jonge wetenschapper, Edwin Hubble, een diepe observatie deed van variabele sterren in verre sterrenstelsels. Hun flikkering onthulde de afstanden tot deze kosmische structuren en meer.
Hubbles werk heeft aangetoondniet alleen dat het universum veel andere sterrenstelsels omvatte, maar het bleek ook uit te dijen, en nu weten we dat de snelheid van dit proces in de loop van de tijd verandert. Dit bracht de kosmologische constante van Einstein grotendeels terug tot nul, en de grote wetenschapper moest zijn aannames herzien. Onderzoekers hebben het niet volledig verlaten. Einstein noemde later het toevoegen van zijn constante aan de algemene relativiteitstheorie echter de grootste fout van zijn leven. Maar is het dat wel?
Nieuwe kosmologische constante
In 1998 merkte een team van wetenschappers dat met de Hubble-ruimtetelescoop werkte en verre supernova's bestudeerde, iets totaal onverwachts op: de uitdijing van het heelal versnelt. Bovendien is het tempo van het proces niet wat ze hadden verwacht en in het verleden ook was.
Aangezien het heelal gevuld is met massa, lijkt het logisch dat de uitdijing zou moeten vertragen, ook al was die zo klein. Deze ontdekking leek dus in tegenspraak met wat de vergelijkingen en de kosmologische constante van Einstein voorspelden. Astronomen begrepen niet hoe ze de schijnbare versnelling van expansie moesten verklaren. Waarom, hoe gebeurt dit?
Antwoorden op vragen
Om de versnelling en de kosmologische noties erover uit te leggen, zijn wetenschappers teruggekeerd naar het idee van de oorspronkelijke theorie.
Hun laatste speculatie sluit het bestaan van iets dat donkere energie wordt genoemd niet uit. Het is iets dat niet kan worden gezien of gevoeld, maar de effecten ervan kunnen worden gemeten. Het is hetzelfde als donkermaterie: het effect ervan kan worden bepaald door hoe het licht en zichtbare materie beïnvloedt.
Astronomen weten misschien nog niet wat deze donkere energie is. Ze weten echter dat het de uitdijing van het heelal beïnvloedt. Om deze processen te begrijpen, is meer tijd nodig voor observatie en analyse. Misschien is de kosmologische theorie toch niet zo'n slecht idee? Het kan immers worden verklaard door aan te nemen dat donkere energie bestaat. Blijkbaar is dit waar en moeten wetenschappers op zoek naar verdere verklaringen.
Wat gebeurde er in het begin?
Einsteins originele kosmologische model was een statisch homogeen model met een sferische geometrie. Het zwaartekrachteffect van materie veroorzaakte een versnelling in deze structuur, die Einstein niet kon verklaren, omdat op dat moment niet bekend was dat het heelal uitdijde. Daarom introduceerde de wetenschapper de kosmologische constante in zijn vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Deze constante wordt toegepast om de aantrekkingskracht van materie tegen te gaan, en daarom is het beschreven als het anti-zwaartekrachteffect.
Omega Lambda
In plaats van de kosmologische constante zelf, verwijzen onderzoekers vaak naar de relatie tussen de daardoor veroorzaakte energiedichtheid en de kritische dichtheid van het universum. Deze waarde wordt gewoonlijk als volgt aangeduid: ΩΛ. In een plat heelal komt ΩΛ overeen met een fractie van zijn energiedichtheid, wat ook wordt verklaard door de kosmologische constante.
Merk op dat deze definitie gerelateerd is aan de kritische dichtheid van het huidige tijdperk. Het verandert in de loop van de tijd, maar de dichtheidenergie, als gevolg van de kosmologische constante, blijft onveranderd gedurende de geschiedenis van het universum.
Laten we eens kijken hoe moderne wetenschappers deze theorie ontwikkelen.
Kosmologisch bewijs
De huidige studie van het versnellende universum is nu erg actief, met veel verschillende experimenten die enorm verschillende tijdschalen, lengteschalen en fysieke processen bestrijken. Er is een kosmologisch CDM-model gemaakt waarin het heelal plat is en de volgende kenmerken heeft:
- energiedichtheid, dat is ongeveer 4% van de baryonische materie;
- 23% donkere materie;
- 73% van de kosmologische constante.
Het kritische observatieresultaat dat de kosmologische constante tot zijn huidige betekenis bracht, was de ontdekking dat verre Type Ia (0<z<1) supernova's die als standaardkaarsen werden gebruikt, zwakker waren dan verwacht in een vertragend universum. Sindsdien hebben veel groepen dit resultaat bevestigd met meer supernova's en een breder scala aan roodverschuivingen.
Laten we het in meer detail uitleggen. Van bijzonder belang in het huidige kosmologische denken zijn de waarnemingen dat supernova's met extreem hoge roodverschuiving (z>1) helderder zijn dan verwacht, wat een kenmerk is dat wordt verwacht van de vertragingstijd die leidt tot onze huidige versnellingsperiode. Voordat de resultaten van supernova's in 1998 werden vrijgegeven, waren er al verschillende bewijzen die de weg vrijmaakten voor relatief snelleacceptatie van de theorie van versnelling van het heelal met behulp van supernova's. In het bijzonder drie van hen:
- Het heelal bleek jonger te zijn dan de oudste sterren. Hun evolutie is goed bestudeerd, en observaties ervan in bolvormige sterrenhopen en elders laten zien dat de oudste formaties meer dan 13 miljard jaar oud zijn. We kunnen dit vergelijken met de leeftijd van het heelal door de huidige uitdijingssnelheid te meten en terug te gaan naar de tijd van de oerknal. Als het heelal zou vertragen tot zijn huidige snelheid, zou de leeftijd minder zijn dan wanneer het zou versnellen tot zijn huidige snelheid. Een plat universum dat alleen uit materie bestaat, zou ongeveer 9 miljard jaar oud zijn, een groot probleem aangezien het enkele miljarden jaren jonger is dan de oudste sterren. Aan de andere kant zou een plat heelal met 74% van de kosmologische constante ongeveer 13,7 miljard jaar oud zijn. Dus toen ze zag dat ze momenteel versnelt, is de leeftijdsparadox opgelost.
- Te veel verre sterrenstelsels. Hun aantal is al op grote schaal gebruikt bij pogingen om de vertraging van de uitdijing van het heelal te schatten. De hoeveelheid ruimte tussen twee roodverschuivingen verschilt afhankelijk van de expansiegeschiedenis (voor een gegeven ruimtehoek). Met behulp van het aantal sterrenstelsels tussen twee roodverschuivingen als maat voor het volume van de ruimte, hebben waarnemers vastgesteld dat verre objecten te groot lijken in vergelijking met voorspellingen van een vertragend universum. Ofwel de helderheid van sterrenstelsels of hun aantal per volume-eenheid evolueerde in de loop van de tijd op onverwachte manieren, of de volumes die we berekenden waren verkeerd. De versnellende zaak zou kunnenzou de waarnemingen verklaren zonder enige vreemde theorie van de evolutie van sterrenstelsels op gang te brengen.
- De waarneembare vlakheid van het universum (ondanks onvolledig bewijs). Aan de hand van metingen van temperatuurschommelingen in de kosmische microgolfachtergrond (CMB), sinds de tijd dat het heelal zo'n 380.000 jaar oud was, kan worden geconcludeerd dat het ruimtelijk vlak is tot op enkele procenten. Door deze gegevens te combineren met een nauwkeurige meting van de dichtheid van materie in het heelal, wordt duidelijk dat het slechts ongeveer 23% van de kritische dichtheid heeft. Een manier om de ontbrekende energiedichtheid te verklaren, is door de kosmologische constante toe te passen. Het bleek dat een bepaalde hoeveelheid ervan eenvoudigweg nodig is om de versnelling te verklaren die wordt waargenomen in de supernovagegevens. Dit was precies de factor die nodig was om het heelal plat te maken. Daarom loste de kosmologische constante de schijnbare tegenstelling tussen waarnemingen van materiedichtheid en CMB op.
Wat is het punt?
Overweeg het volgende om de vragen te beantwoorden die zich voordoen. Laten we proberen de fysieke betekenis van de kosmologische constante uit te leggen.
We nemen de GR-vergelijking-1917 en plaatsen de metrische tensor gab tussen haakjes. Daarom hebben we binnen de haakjes de uitdrukking (R / 2 - Λ). De waarde van R wordt weergegeven zonder indices - dit is de gebruikelijke scalaire kromming. Als je het op de vingers uitlegt - dit is het omgekeerde van de straal van de cirkel / bol. Vlakke ruimte komt overeen met R=0.
In deze interpretatie betekent een niet-nulwaarde van Λ dat ons universum gekromd isvanzelf, ook als er geen zwaartekracht is. De meeste natuurkundigen geloven dit echter niet en geloven dat de waargenomen kromming een interne oorzaak moet hebben.
Donkere materie
Deze term wordt gebruikt voor hypothetische materie in het universum. Het is ontworpen om veel problemen met het standaard Big Bang-kosmologische model te verklaren. Astronomen schatten dat ongeveer 25% van het universum uit donkere materie bestaat (misschien samengesteld uit niet-standaard deeltjes zoals neutrino's, axions of Weakly Interacting Massive Particles [WIMP's]). En 70% van het heelal in hun modellen bestaat uit nog meer obscure donkere energie, waardoor er slechts 5% overblijft voor gewone materie.
Creationistische kosmologie
In 1915 loste Einstein het probleem van de publicatie van zijn algemene relativiteitstheorie op. Ze toonde aan dat de abnormale precessie een gevolg is van hoe zwaartekracht ruimte en tijd vervormt en de bewegingen van de planeten regelt wanneer ze zich vooral dicht bij massieve lichamen bevinden, waar de kromming van de ruimte het meest uitgesproken is.
Newtoniaanse zwaartekracht is geen erg nauwkeurige beschrijving van planetaire beweging. Vooral wanneer de kromming van de ruimte weg beweegt van de Euclidische vlakheid. En de algemene relativiteitstheorie verklaart het waargenomen gedrag bijna precies. Dus noch donkere materie, waarvan sommigen hebben gesuggereerd dat ze zich in een onzichtbare ring van materie rond de zon bevond, noch de planeet Vulcan zelf, waren nodig om de anomalie te verklaren.
Conclusies
In de vroege dagende kosmologische constante zou verwaarloosbaar zijn. Op latere tijdstippen zal de dichtheid van materie in wezen nul zijn en zal het universum leeg zijn. We leven in dat korte kosmologische tijdperk waarin zowel materie als vacuüm van vergelijkbare grootte zijn.
Binnen de materiecomponent zijn er blijkbaar bijdragen van zowel baryonen als een niet-baryonbron, beide zijn vergelijkbaar (althans, hun verhouding is niet afhankelijk van tijd). Deze theorie wiebelt onder het gewicht van zijn onnatuurlijkheid, maar komt toch ver voor de concurrentie over de finish, zo goed past het bij de gegevens.
Naast het bevestigen (of weerleggen) van dit scenario, zal de belangrijkste uitdaging voor kosmologen en natuurkundigen in de komende jaren zijn om te begrijpen of deze schijnbaar onaangename aspecten van ons universum gewoon verbazingwekkende toevalligheden zijn of eigenlijk de basisstructuur weerspiegelen die we begrijp het nog niet.
Als we geluk hebben, zal alles wat nu onnatuurlijk lijkt, dienen als een sleutel tot een dieper begrip van de fundamentele fysica.
