Site pictogram Astroblogs

Heeft het heelal een rand?

De Hubble eXtreme Deep Field (XDF). Hebben het heelal en zwarte gaten van donkere energie invloed op elkaar? credit: NASA, ESA, H. Teplitz and M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), and Z. Levay (STScI).

Credit: Flammarion Engraving 1888 / Wikipedia – Public Domain

De discussie die afgelopen week losbarstte naar aanleiding van mijn blog over de omvang van het totale heelal buiten het waarneembare heelal ging vooral over de vraag of het kosmologische principe – het heelal is overal homogeen en isotroop – ook geldt voor waarnemers in een sterrenstelsel bij de rand van het heelal. Moeten die niet naar één kant toe helemaal niets zien, de kant waarheen het heelal expandeert? Een interessante en ook terechte vraag, waar ik mij even in moest verdiepen om daar een goed antwoord op te vinden. De vraag is eigenlijk òf er een rand is van het heelal en zo ja of daar bij die rand het kosmologische principe niet ophoudt? Belangrijk voor de beantwoording hiervan is de achterliggende vraag wat de vorm van het heelal is, waarbij gekeken wordt naar de kromming en topologie van het heelal. Grofweg gezegd zijn er drie vormen van kromming denkbaar, die het heelal kan hebben.

De kromming van het heelal

credit: Shashi M. Kanbur at SUNY Oswego.

  • ten eerste is er een heelal dat geen kromming heeft – een ‘vlak’ heelal waarin de geometrie zo is dat de ruimte Euclidisch (E³) is, d.w.z. dat parallelle lijnen elkaar nooit zullen raken. We weten sinds Einstein’s algemene relativiteitstheorie (ART) uit 1915 dat massa de ruimte doet krommen en in een heelal vol massa zou je denken dat het heelal gekromd moet zijn. Maar een lokale kromming van de ruimte, bijvoorbeeld de ruimte om de zon, hoeft niet te betekenen dat er ook een globale kromming van de ruimte is, een kromming van het heelal als geheel. Die ART doet in dit verband een belangrijke uitspraak: als de ruimte vlak is, dan is het heelal oneindig! Als er geen kromming is, is de ruimte vlak, zoals wij hem ons spontaan voorstellen. In elke richting kan je dan oneindig ver doorlopen. Het volume van het heelal is dan oneindig – voor de liefhebbers hier en daar de technische verklaring van dit verhaal. OK, nou zou je kunnen betwisten of uit de ART volgt dat het heelal oneindig is en daarmee ook ‘randloos’ is.Maar stel dat het heelal inderdaad NIET oneindig is, maar wel vlak, dan nog zal het heelal geen rand hebben. Men denkt namelijk dat de vorm van het heelal niet een gewone bolvorm is, maar die van een torus. Dat is een vorm zonder rand, maar waarin de ruimte wel euclidisch is, zoals te zien in de afbeelding hierboven, een model dat ook wel het donutmodel van het heelal wordt genoemd.
  • Het heelal is positief gekromd, het heelal is dan bolvormig, de geometrie is sferisch (S³). In zo’n heelal is er genoeg massa om de expansie van het heelal te stoppen en op een gegeven moment om te buigen in een krimp. Sterrenkundigen spreken van de kritische massadichtheid, die bij een vlak heelal precies 1 is en bij een positief gekromd heelal > 1. Zo’n heelal mag dan wel een eindig volume hebben, dat eerst expandeert en daarna krimpt, maar dat wil nog niet zeggen dat het ook een waarneembare rand heeft. De kromming zorgt er namelijk voor dat een denkbeeldige ruimtereiziger die naar de rand van het heelal wil reizen door de kromming van de ruimte weer op zijn beginpunt terecht komt, net zoals iemand de evenaar langs loopt en dan uiteindelijk weer op dezelfde plek uitkomt.
  • Tenslotte is er de mogelijkheid dat het heelal negatief gekromd is, als de geometrie hyperbolisch is. Net als bij een vlak heelal wordt een heelal met negatieve kromming voorgesteld als oneindig. De massa in zo’n heelal heeft een lagere dichtheid dan de kritische massadichtheid, dus < 1. Een model van een heelal met deze vorm is de zogeheten Picard Hoorn. Een heelal met negatieve kromming is een open heelal. De uitdijing wordt door de zwaartekracht wel vertraagd, maar zal nooit stoppen.

Kortom, de modellen van het heelal lijken allemaal aan te geven dat er geen rand van het heelal is en dat het komt omdat het heelal oneindig is óf omdat de kromming of topologie van het heelal zodanig is dat we nooit bij de rand zullen komen omdat licht of ruimtereizigers op hun reis door het heelal naar het startpunt zullen terugkeren. De waarnemingen met WMAP lijken aan te geven dat we in een vlak heelal leven, ω=-1,00 ± 0,02, maar zoals hierboven gesteld kent ook die geen rand. En geen rand betekent dat het kosmologische principe overeind blijft. Als afsluiting nog een zeer boeiende video, die ik tegenkwam over dit onderwerp, die gaat over de rand van het waarneembare heelal én daarbuiten.

Bron: ik heb voor deze blog naar vele bronnen gekeken, maar de meest gebruikte waren Wikipedia en Koberlein

FacebookTwitterMastodonTumblrShare
Mobiele versie afsluiten