V - Toekomst heelal - SRON Netherlands Institute for Space Research

Toekomst: Wat is het uiteindelijke lot van het heelal?

Wat weten we niet?
Wat weten we wel?
Hoe zouden we erachter kunnen komen?
Links

Wat weten we niet?

Aan het begin van de vorige eeuw maakt Albert Einstein (1879 – 1955) zijn algemene relativiteitstheorie bekend: een totaal nieuwe manier om te kijken naar de relatie tussen materie, ruimte en tijd. De theorie werkt vlekkeloos waar de klassieke mechanica van Newton problemen heeft, zoals de verandering in de baan van Mercurius om de zon en het afbuigen van licht dat langs een sterk zwaartekrachtveld beweegt. Maar de theorie doet ook een aantal bizarre voorspellingen over het gedrag van het heelal op grote schaal. Afhankelijk van onder andere de totale massa in het heelal zou het heelal, in plaats van statisch te zijn, kunnen expanderen. Alexander Friedmann en de Belg Georges Lemaître werken dit idee uit tot een wiskundige en een natuurkundige hypothese. Zou expansie van het heelal echt bestaan?

Om daar iets over te kunnen zeggen heb je van sterrenstelsels informatie nodig over de afstanden en de kosmische expansiesnelheid. Mede door de Nederlandse astronoom Willem de Sitter (1872 – 1934) verandert de kosmologie geleidelijk van een puur theoretisch terrein in een observationele wetenschap. In 1925 beschikt men van 45 sterrenstelsels over spectra waarin spectraallijnen zijn te zien. Ze staan niet helemaal op de juiste plaats maar zijn wat naar de rode golflengten verschoven. Dit roodverschuivingseffect wordt geïnterpreteerd als een dopplereffect, veroorzaakt door de snelheid van ons vandaan, langs de gezichtslijn. Soms tot meer dan 1000 km/s! Maar de de afstanden tot die stelsels is nog onbekend. De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble (1879 – 1955) stort zich op het probleem. Hij ontdekt een verband: hoe verder weg, hoe hoger de snelheid. Het heelal … expandeert inderdaad!

Het heelal is dus ooit een keer begonnen als iets kleins, ontstaan in een Oerknal. In 1950 noemt de Amerikaanse astronoom Fred Hoyle dit laatdunkend de Big Bang; hij gelooft er zelf niets van. Maar met het beschikbaar komen van veel betere telescopen en nauwkeuriger waarnemingen, zoals nu met de Hubble-ruimtetelescoop, is het bewijs niet te weerleggen. Uit het ‘Hubble-verband’ weten we nu dat het heelal 13,7 miljard jaar geleden is ontstaan. En sindsdien uitdijt.

Wat is het uiteindelijke lot van het heelal? Gaat die expansie eeuwig door? En hoe ziet dat steeds groter wordende heelal er dan precies uit?

Wat weten we wel?

Donkere energie. De verst verwijderde sterrenstelsels die we op dit moment kunnen zien, staan 13,2 miljard jaar in het verleden. Het heelal was toen circa 500 miljoen jaar oud. Als we over de lange tijd van toen tot nu nog eens kijken naar de relatie tussen afstand en snelheid van sterrenstelsels langs de gezichtslijn, dan blijkt dat de expansie van het heelal de eerste miljarden jaren constant is. Ongeveer 7 tot 8 miljard jaar geleden is de expansie echter geleidelijk toegenomen, en dat betekent dat het heelal nu versneld (!) uitdijt. Kennelijk is er sprake van een afstotende kracht. De theorie van Einstein laat ruimte voor deze ‘kosmologische constante’ die de expansietoename beschrijft, maar Einstein zelf dacht dat dit een fout in zijn theorie is. De versnelling wordt gevoed door iets dat we aanduiden met ‘donkere energie’. Maar de aard van de donkere energie is een mysterie.

Donkere materie. Uit onder andere de manier waarop sterrenstelsels roteren om hun centrum is ook gebleken dat de meeste sterrenstelsels veel meer massa moeten bezitten dan dat we zien in de vorm van sterren, gas en stof. Er bestaat klaarblijkelijk ook ‘donkere materie’. Als je kijkt naar de totale massa-energie-dichtheid in het heelal (min of meer vergelijkbaar met alles wat zich in het heelal bevindt) dan bestaat 74% van dat alles zich in de vorm van donkere energie, 22% in de vorm van donkere materie en maar 4% in de vorm van ons bekende materie zoals protonen en elektronen. Van 96% van het heelal weten we dus niet waar het uit bestaat. Maar we hebben inmiddels wel een goede schatting over hoe groot de som van dat alles moet zijn. En dat is belangrijk omdat die som (die leidt tot een schatting van de totale zwaartekracht in het heelal) bepaalt wat de toekomst van het heelal wordt.

Met wat we nu weten ziet het er naar uit dat het heelal eeuwig expandeert. De temperatuur van het heelal daalt steeds verder tot het absolute nulpunt. Uiteindelijk gaat de laatste ster uit en is het laatste zwarte gat verdampt: het wordt donker. En de inhoud van het heelal verdunt steeds verder: het wordt leeg. Sterker nog, het zou kunnen zijn dat de versnelling in de uitdijing al maar toeneemt. In uiterste consequentie wordt alle bekende materie uiteen getrokken tot elementaire deeltjes die van elkaar wegschieten. Tegelijkertijd ontwikkelt het heelal zich naar een situatie van een perfect gelijke verdeling van energie. Daarmee verdwijnt iedere vorm van verschil en, filosofisch gezien, ook alle informatie van het vroegere heelal. Zo’n situatie laat zich wiskundig beschrijven als een … een zwart gat.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: drie toekomstscenario’s voor het heelal{end-link}De eerste is dat het heelal expandeert maar dat de zwaartekracht in het heelal de expansie uiteindelijk stopt en omkeert. Dat leidt tot een soort omgekeerde Big Bang: de Big Crunch. Er zou een volgend heelal kunnen ontstaan en misschien is ‘ons’ heelal er wel een uit een oneindige reeks van pulsaties. De tweede is dat de zwaartekracht te zwak is om de expansie te stoppen. Het heelal groeit eeuwig door en zou een éénmalige gebeurtenis kunnen zijn. De derde mogelijkheid zit er tussenin: de zwaartekracht weet juist de expansie te stoppen. Het heelal groeit steeds langzamer tot een zekere ‘vaste’ afmeting en wordt statisch.{end-tooltip}

Hoe zouden we erachter kunnen komen?

Je kunt filosoferen over de mogelijkheid dat zo’n eindstadium van het heelal het begin vormt van een volgend heelal, of niet. Theoretici laten zien dat parallel aan ‘ons’ heelal er oneindig veel andere heelallen kunnen bestaan, de zogeheten multiverses (als contrast met universe). Misschien bevatten andere heelallen wel antimaterie en ontstaat er een enorme energieflits als ze ‘botsen’ op ons materieheelal. Er zijn ook scenario’s waarbij de dood van het ene heelal ‘het brood’ is van het andere. En om het nog fascinerender te maken: er zijn astronomen die menen dat ook de donkere energie van ‘toestand’ kan veranderen. Heel kort na de oerknal beleeft het heelal een korte periode van snelle expansie. Misschien dat deze ‘inflatie’ zoals het fenomeen wordt genoemd, veroorzaakt wordt door het vrijkomen van donkere energie, die zich miljarden jaren later anders manifesteert en zorgt voor de nu waargenomen versnelde expansie.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer: de versnelde expansie van het heelal{end-link}Het is belangrijk dat we de aard van de donkere materie en donkere energie leren kennen (zie het (http://www.sron.nl/index.php?option=com_content&task=view&id=3162&Itemid=2822″) venster Donkere materie en donkere energie in de categorie Vragen voor de toekomst). Daarnaast is er nog veel theorie-ontwikkeling te doen waarvan het resultaat idealiter is dat we er achter komen waar we naar moeten kijken om onderscheid te maken tussen de verschillende mogelijkheden. Net zoals destijds Willem de Sitter de kosmologie omzette van een theoretische in een observationele wetenschap. Een van de meest fascinerende aspecten van de geschetste toekomstbeelden is die van de steeds groter wordende versnelling van de uitdijing van het heelal.

Dit Grote Uiteen Trekken (The Big Rip) is als theorie ontwikkeld in 2003. Het laat zien dat in een eindige tijd de expansie oneindig kan versnellen, afhankelijk van het gedrag van de donkere energie. Dit gedrag wordt beschreven in de ‘toestandsvergelijking’. In een van de mogelijke toestanden neemt de donkere energie de vorm aan van ‘spookenergie’ (phantom energy): de motor achter oneindige versnelling. Gek genoeg heeft dit fenomeen tot gevolg dat de omvang van het zichtbare heelal steeds kleiner wordt. De ‘grens’ waar het heelal met de lichtsnelheid expandeert, komt steeds dichterbij te liggen. Misschien dat zo’n effect ook ooit echt te meten is?{end-tooltip}

Zijn er ook ruimtemissies, nu of in de toekomst, die ons helpen om de toekomst van het heelal te ontrafelen? Ja, maar wat toekomstige missies betreft blijft het tot nu toe goeddeels bij plannen en is de realisatie in toenemende mate afhankelijk van de economische omstandigheden. Daarom zijn belangrijke aanwijzingen misschien niet op afzienbare termijn te verwachten. De ruimtemissies richten zich onder andere op de volgende aspecten:

Ontrafelen van de vroegste periode van het heelal. Zodat (indirect) een zo goed mogelijk beeld ontstaat van de natuurkunde vlak na de oerknal.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}We kunnen overigens nooit dieper in het verleden kijken dan tot enkele honderdduizenden jaren na de oerknal. Op dat moment is het heelal zover uitgezet en afgekoeld dat materie en straling ontkoppelen en het heelal doorzichtig wordt. De situatie waarin het heelal zich dan bevindt, is af te leiden uit heel nauwkeurige metingen aan de achtergrondstraling in het heelal, feitelijk de ‘echo’ van dit ontkoppelingsmoment. In de structuren en details liggen aanwijzingen die iets vertellen over wat zich voor het ontkoppelmoment heeft afgespeeld. Op dit moment is ESA’s Planck-missie bezig met het samenstellen van een gedetailleerde kaart van de achtergrondstraling. Toekomstige projecten richten zich op het ook in kaart brengen van de polarisatie van de achtergrondstraling. Op de locatie van de ALMA-sterrenwacht in Chili bevindt zich ook de 6-meter Atacama Cosmology Telescope waarmee de ‘indrukken’ worden onderzocht die sterrenstelsels maken in de achtergrondstraling. Verder wordt daar de zogeheten QUIET-telescoop ontwikkeld, een instrument met vier gekoppelde telescopen waarmee metingen aan de trillingsrichting (polarisatie) van de achtergrondstraling mogelijk zijn.{end-tooltip}
Detailleren van de Hubble-relatie. Het doel hiervan is om de expansiegeschiedenis van het heelal over praktisch de gehele leeftijd van het heelal gedetailleerd te meten.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}Voor het relatief nabije verleden zijn er talloze metingen aan de roodverschuiving van sterrenstelsels, maar onafhankelijke afstandsmetingen zijn daarnaast essentieel. Naarmate je dieper het heelal in kijkt, wordt het onafhankelijk meten van afstanden en radiale snelheid steeds lastiger. Grote afstanden worden meestal geschat aan de hand van ‘standaardkaarsen’ zoals supernovae. Maar inmiddels is gebleken dat er verschillende soorten supernovae zijn en dat binnen die soorten ook verschillen in piekhelderheid voorkomen. Dus richt een deel van het onderzoek zich op het beter karakteriseren van supernovae zodat de werkelijke helderheid nauwkeuriger is vast te stellen. Ver weg kijken in het heelal kan op verschillende golflengten: in het zichtbare licht met de Hubble-ruimtetelescoop en met aardse telescopen. Vanwege de roodverschuiving is het heel belangrijk om ook te kijken in het infrarood- en bij submillimetergolven. De James Webb Space Telescope (JWST) van NASA moet op dit terrein voor doorbraken gaan zorgen. De lancering staat voorlopig gepland voor 2018.{end-tooltip}
Karakteriseren van de eigenschappen van materie en donkere materie. Uit het rotatiegedrag van sterrenstelsels volgt dat donkere materie moet bestaan. Maar er zijn meer manieren om donkere materie te bestuderen.
{tooltip class=tooltip_50jaar}Lees meer{end-link}Donkere materie beïnvloedt ook de beweging van sterrenstelsels in grote groepen (clusters) en draagt het bij tot het ‘gravitatielenseffect’. Daarbij wordt licht van verder weg gelegen stelsels dat ‘vlak’ langs zware voorgrondstelsels passeert, afgebogen. Er ontstaan dan verschillende en vergrote beelden van hetzelfde achtergrondstelsel, net als bij een echte lens. Onderzoek naar zware sterren, clusters van sterrenstelsels en het ijle intraclustergas is met name ook een onderzoeksterrein voor de hoge-energieastrofysica.
Ruimtemissies als NASA’s Chandra en ESA’s XMM-Newton, beiden voorzien van een stevige door SRON geleide inbreng, zijn onmisbaar voor zulk onderzoek. Ook ESA’s EUCLID-missie, voorlopig gepland voor een lancering in 2019, heeft als hoofddoelstelling het ontraadselen van de samenstelling van het heelal. De satelliet moet de geometrie van het nabije heelal zeer nauwkeurig opmeten. Daaruit hoopt men te ontdekken hoe de donkere energie geleidelijk ‘aan de slag’ is gegaan met het versnellen van de uitdijning. Voor de aard van donkere materie denkt men bijvoorbeeld aan ‘koude donkere materie’, bestaande uit zware deeltjes (Weakly Interactive Massive Particles, WIMP) die relatief langzaam bewegen. Maar ook aan ‘warme donkere materie’ met deeltjes die met een flinke fractie van de lichtsnelheid reizen. Of aan ‘hete donkere materie’: deeltjes die vrijwel de lichtsnelheid bereikt hebben. Neutrino’s, waarvan met speciale installaties diep onder het grond- of zeeoppervlak zeer minieme fracties worden gemeten ondanks hun onvoorstelbaar grote aantallen, behoren tot deze donkere materie. Maar het is onbekend hoe de ‘dierentuin’ aan donkere deeltjes er precies uitziet.{end-tooltip}