13 december 2019

Is de ruimte in het heelal nou vlak of toch gekromd?

De temperatuursverschillen in de kosmische microgolf-achtergrondstraling, gemeten door Planck. Credit: ESA/Planck Collaboration

Toen in 2018 de definitieve gegevens van de Europese Planck missie werden gepubliceerd, de ruimteverkenner die de kosmische microgolf-achtergrondstraling had bestudeerd (Engels: CMB), waren de meeste sterrenkundigen ervan overtuigd dat de ruimte in het heelal vlak is (Engels: flat). Dat betekende dat de ruimte ‘Euclidisch’ is, dat als je ergens in het heelal een willekeurig vlak zou nemen en je zou er een driehoek tekenen dat de drie hoeken dan samen 180 graden zouden zijn. Zend twee laserstralen in zo’n heelal evenwijdig aan elkaar een bepaalde richting uit en je weet dat in zo’n vlak heelal de stralen elkaar nooit zullen raken, iets wat in een gekromd, ‘niet-Euclidisch’ heelal wel het geval zou zijn.

Enkele weken geleden kwam een drietal sterrenkundigen – Alessandro Melchiorri (Sapienza University), Eleonora di Valentino (University of Manchester) en Joseph Silk (University of Oxford) met een artikel (gepubliceerd in Nature) waarin ze met een zekerheid van 99% stellen dat ze op basis van dezelfde Planck gegevens van mening zijn dat de ruimte in het heelal wel degelijk gekromd is, dat het een ‘gesloten heelal’ is en dat het heelal een bol is (zie kader hieronder voor nadere informatie over de termen).

De kromming van de ruimte heeft effect op de temperatuursverschillen in de CMB. Credit: Planck-collaboration.

Welke vorm heeft het heelal?
Als kosmologen over het heelal spreken als ‘open’ of ‘gesloten’, verwijzen zij meestal naar de vraag of de kromming negatief of positief is. Er worden drie varianten onderscheiden:

Vlak heelal
In een vlak heelal is de lokale kromming en de lokale meetkunde vlak. Er wordt algemeen aangenomen dat het wordt beschreven door een Euclidische ruimte, hoewel er een aantal ruimtelijke meetkunden zijn die vlak en begrensd in een of meer richtingen zijn (zoals bijvoorbeeld het oppervlak van een cilinder).Bij afwezigheid van donkere energie dijt een vlak heelal altijd maar uit, maar wel in een voortdurend vertragend tempo, waar de uitbreiding asymptotisch tot een bepaalde vaste waarde nadert. Met donkere energie zal de uitbreidingsvoet van het universum aanvankelijk vertragen, dit als gevolg van de invloed van de zwaartekracht, maar zal deze uiteindelijk toenemen. Het uiteindelijke lot van het heelal is hetzelfde als dat van een open heelal.Sterrenkundigen hanteren de dichtheidsparameter, Omega, die gerelateerd is aan de kromming van de ruimte. Omega is de gemiddelde dichtheid van het heelal gedeeld door de kritische energiedichtheid, dat wil zeggen die nodig is om te verzekeren dat het heelal vlak is. Zie ook de afbeelding hieronder.

De drie vormen van gekromde ruimte. Credit: WMAP/NASA.

Bolvormig of sferisch heelal – gesloten
Een positief gekromd heelal wordt beschreven door de bolmeetkunde en kan beschouwd worden als een driedimensionale hypersfeer of een andere sferische 3-variëteit (zoals de Poincaré-dodecaëderruimte), die alle quotiënten van de 3-sfeer zijn.

In een gesloten universum dat de afstotende werking van donkere energie ontbeert zal de zwaartekracht uiteindelijk de uitdijing van het heelal stoppen, waarna het heelal zal starten in te krimpen totdat alle materie in het waarneembare heelal instort tot een punt, een finale singulariteit, die naar analogie met de Big Bang wel de Big Crunch wordt genoemd. Als het heelal een grote hoeveelheid donkere energie bezit (zoals door recente bevindingen wordt gesuggereerd), dan kan de uitdijing van het heelal eeuwig doorgaan.

Het lot van het heelal bij de drie vormen van kromming. Credit: Schoolphysics.

Hyperbolisch heelal – open
Een hyperbolische heelal wordt beschreven door een hyperbolische meetkunde en kan lokaal worden gezien als een driedimensionaal analogon van een oneindig uitgebreide zadelvorm. Er bestaat een verscheidenheid aan hyperbolische 3-variëteiten en hun classificatie is niet helemaal duidelijk. Voor een hyperbolische lokale meetkunde worden veel van de mogelijke driedimensionale ruimten informeel hoorntopologieën genoemd, vanwege de vorm van de pseudosfeer, een canoniek model van de hyperbolische meetkunde.

Bron: Wikipedia.

De fotonen van de CMB die door Planck zijn bestudeerd dateren van 380.000 jaar na de oerknal, het moment 13,8 miljard jaar geleden dat ruimte en tijd ontstonden. Vanaf het moment dat de fotonen hun vrije weg startten (het moment dat het ‘laatste oppervlak van de verstrooiing‘ wordt genoemd) tot aan het moment dat ze de Planck ruimtetelescoop binnendrongen passeerden ze talloze clusters van sterrenstelsels, wiens massa zorgde voor een effect dat ‘zwaartekrachtslens’ wordt genoemd. Planck heeft die hoeveelheid ‘lensing’ gemeten en daarmee de dichtheid van massa in het heelal gemeten, een hoeveelheid die 9,47×10-27 kg/m³ bleek te zijn, zeg 5,7 waterstofatomen per kubieke meter. Er is ook een zogeheten ‘kritische dichtheid’ van het heelal – de grens aangevend tussen een open en een gesloten heelal – en laat die nou ook precies 5,7 waterstofatomen per m³ te zijn. Dát was de grondslag onder de aanname dat het heelal vlak is.

De Planck satelliet, die naar de CMB kijkt. Credit: Credit: ESA and the Planck Collaboration – D. Ducros

Melchiorri, di Valentino en Silk zijn ook in de CMB-gegevens van Planck gedoken en anders dan het Planck-team komen zij met een andere waarde voor de opgetreden hoeveelheid lensing. Uit hun analyse blijkt er een hogere dichtheid te zijn en een grotere hoeveelheid lensing. De dichtheid van het heelal is volgens het drietal 6 waterstofatomen per m³ en de dichtheid ligt 5% bóven de kritische dichtheid. Volgens hen is er daarmee sprake van een bolvormige heelal, eentje die gesloten is en uiteindelijk dus weer zal krimpen. Het Planck-team had overigens de afwijking in de gemeten lensing ook al geconstateerd, een afwijking die een statistische betrouwbaarheid van 3,4 sigma heeft, maar het Planck-team was van mening dat deze afwijking ruis is. Melchiorri, di Valentino en Silk beschouwen de afwijking duidelijk niet als ruis, maar als een echt signaal. Zij zijn ook van mening dat er naast de zes parameters die het heersende Lambda-CDM heelalmodel beschrijven er nog een zevende parameter moet komen: eentje die de kromming van de ruimte bechrijft.

Andere sterrenkundigen zijn sceptisch over het artikel van Melchiorri, di Valentino en Silk. Zij wijzen er bijvoorbeeld op dat de set gegevens door Planck verzameld zo gigantisch groot is dat er altijd wel afwijkingen in de orde van 3,4 sigma voorkomen, die helemaal niet echt hoeven te zijn. Ook is Planck niet de enige die roept dat het heelal vlak is. Zo blijkt ook uit de waarnemingen van de BOSS survey (waarbij men kijkt naar baryon acoustic oscillations) dat het heelal vlak is. Ook maakt een gesloten heelal een ander probleem nóg erger: het probleem van de Hubble-spanning. Kortom, wordt zeker vervolgd. Bron: Quanta Magazine + In the Dark

Comments

  1. Wybren de Jong zegt

    Ik zou wel eens de theoretische afleiding willen zien van die kritische dichtheid.
    Het is toch een vreemd toeval dat de theoretische en de waargenomen dichtheid allebei op precies hetzelfde getal uitkomen (9,47×10-27 kg/m³). Ik vraag me af of ze de theorie misschien een beetje aangepast hebben om die overeenkomst te bereiken.

    • Die volgt uit de Friedmann vergelijkingen, welke in 1922 werden opgesteld door de Rus Alexander Friedmann. Zie https://en.wikipedia.org/wiki/Friedmann_equations#Density_parameter
      Maar ja, daar zit als één van de bepalende factoren de Hubbleconstante in en daar is nou juist weer die Hubble-spanning over. Dus wat dan precies de kritische dichtheid is dat is ook onderwerp van discussie,

      • Wybren de Jong zegt

        Als ik de eerste Friedman vergelijking bestudeer, dan zie ik dat bij een positieve waarde van Lambda (dus een positieve donkere energie), de dichtheid lager kan zijn, ook in een vlak heelal met kappa = 0.
        Dus de kritische dichtheid die hier gegeven wordt (9,47×10-27 kg/m³) is niet van toepassing bij een vlak heelal met een grote hoeveelheid donkere energie.

  2. Ik betwijfel of die parallelle lasers elkaar niet kunnen kruisen met al de gravitatie lenzen 🙂
    o.t. Het universum is dus niet isotroop volgens deze gasten, dat heeft weer hele interessante consequenties…

  3. Marc Opdebeeck zegt

    Zoals ik vroeger al aangehaald heb is het universum één grote eenheidsbol. Omdat hij al zo groot is lijkt hij een vrij vlakke ofwel euclidische ruimte ( stralen liggen op 99,99999% parallel). Hierbij moet opgemerkt worden dat in dat al oneindig grote universum(dat al oneindig lang in tijd bestaat) nog onderverdelingen met verschillende sub-eenheidsbollen zijn.
    Het feit is dat een eenheidsbol een centrum heeft en een boloppervlak.
    De donkere energie zorgt ervoor dat de universele bol immer blijft aangroeien met de aanmaak van nieuwe eenheidstrillingen en dus ook elektronen en protonen met een eindresultaat van 5% materie in het centrum vvan de universele eenheidsbol. Nieuwe materie betekent nieuwe ruimte met meer opstapeling in galactische centra en clusters. De expansie van de eenheidsbol wordt gedreven door een exponentiële functie van het interponeren van nieuwe trillingsstralen als bissectricen tussen de bestaande trillingsstralen.
    Voelen jullie de crisis niet aan in de cosmologie, of blijven jullie blind geloven?
    Groet
    Marc

    • Ik houd het dan op 2 “eenheidsbollen” :-). 1 met alle positieve massa-energie en 1 met alle negatieve massa-energie, zodat de som, de totale massa-energie nul is. In dat geval kan er iets uit niets ontstaan. Overigens is de stelling van de auteurs dat het universum niet isotroop is, wat dan betekend dat er zonder “eenheid” je definitie van je eenheidsbol ook onder vuur ligt.

      • Marc Opdebeeck zegt

        Je hebt gelijk als je zegt dat het totaal ofwel de totale massa-energie nul moet zijn. Dit is ook het geval in 1 eenheidsbol waar de som van de hoeveelheid massa-energie ( ofwel beter uitgedrukt als hoeveelheid aan beweging) in de twee symmetrische bolhelften ( materie en anti materie) gelijk is aan nul.

        Ik denk dat ik de tweede opmerking van het niet isotroop zijn met die eenheid niet volledig begrepen heb.
        De eenheid in de eenheidsbol heeft eigenlijk betrekking op de straalvector(R) van de universele eenheidsbol die ten allen tijde overal in de bol gelijk is aan de absolute vectorwaarde van 1 bekomen door het crossproduct van de twee fundamentele vectorcomponent op een wijze van tangens x cotangens = 1 als functie van tijd.

        • @Marc, ik had al zo een vermoeden :-). Maar ik houd het toch ff op 2 Siamese janus-bollen als de auteurs het bij het rechte eind hebben. Zie ook https://en.wikipedia.org/wiki/Zero-energy_universe , onder het motto: bijna alles is al bedacht en beschreven… “Maktub” .

          • Marc Opdebeeck zegt

            @Nico, blijkbaar zijn er nog wetenschappers die in dezelfde richting denken als mijn theorie. Ze verschillen nog mijlenver met de mijne maar we hebben toch wat gemeenschappelijke basiselementen.
            1) de energie van het totale universum is gelijk aan 0
            2) er zijn twee tegengestelde krachten of vectorcomponenten die een stabiel evenwicht nastreven over een oneindig lange tijdsperiode.

            We verschillen enorm in het feit dat zij de evolutie zien in het teken van de BigBang met inflatieperiode en aan de andere kant geen geometrische vormgeving van het geheel aangeven met uitzondering dat het dan allemaal vlak is.

            Terwijl hun theorie met inflaton, inflatieperiode, gravitatie die ze zelf nog begrijpen,curieuze annihilatie tussen materie en antimaterie, quantumfluctuaties enz niet na te checken is, is mijn theorie gebaseerd op eenvoudige al bekende fysische processen zoals periodieke harmonische trillingen in een 3D supersymmetrische bolgeometrie en gebaseerd op twee basiskrachten namelijk potentiële energie ( gravitatie met opbouw van centra met materie of antimaterie) en kinetische energie (wetten van de thermodynamica, dynamica en expansie)

            In mijn theorie kan men zeer eenvoudig op basis van afleiding alle tot nu toe geobserveerde natuurfenomenen verklaren van het microscopische kwantum tot het macroscopische van het ganse universum. ( dit onder dien verstande dat men de theorie door en door kent natuurlijk)

            Je voorstel van die twee Siamese bollen is nog niet zo slecht omdat het belangrijkste in dit opzicht is dat Siamese gevallen nog onder een centrale brein werken zodat de communicatie in beide bollen ( of bolhelften) gecontroleerd blijft met een evenwicht en een eindresultaat van 0. Ik denk dat een perfecte informatie en communicatie alleen maar kan in een perfect geometrisch symmetrisch geheel en daar beantwoordt de 3D bol perfect aan

  4. De crisis situeert zich elders.

  5. @ Marc
    In mijn theorie kan men zeer eenvoudig op basis van afleiding alle tot nu toe geobserveerde natuurfenomenen verklaren van het microscopische kwantum tot het macroscopische van het ganse universum.
    Logisch toch…..
    ( dit onder dien verstande dat men de theorie door en door kent natuurlijk)
    Publiceren Dus…..
    (Logisch toch)

    • Marc Opdebeeck zegt

      Het is een omvangrijk werk, spits! Ben een beetje ontmoedigd geraakt door al de negatieve kritiek 🙁
      Misschien komt het er nog wel eens van, wie weet ? 😀

      • Je kunt natuurlijk rustig blijven toeteren, bv. hier en niet waar het eigenlijk zou moeten, dat je een theorie van alles hebt en alle potentiële kritiek de pas afsnijden door die niet te publiceren, zodat (niet wij hier maar) de wetenschap geen kans krijgt ze op haar waarde te beoordelen. Dat is pas ontmoedigend: je doet geen poging, of je wilt of durft het niet, om te bewijzen dat je geen fantast bent. Dan moet je heus niet afkomen met kreten als “kosmologie in crisis”, “blind geloven” en meer van dat, laat staan dat je je zogenaamde “ontmoediging” gebruikt/misbruikt om vooral niets te doen. Met beweren zonder te bewijzen of te onderbouwen ga je inderdaad geen positieve kritiek krijgen.

  6. Lawrence Krauss video lecture, check na 33 minuten. https://www.youtube.com/watch?v=7ImvlS8PLIo Grappig..
    Een vlak heelal is nodig om met niets te beginnen, en de observers come up with te wrong numbers….

  7. Cees Klaris zegt

    Marc Opdebeeck schreef:

    “Ze verschillen nog mijlenver met de mijne…”

    Zeker op wiskundige vlak want dat heb je nodig om over je ideeën te kunnen communiceren met de ander die dan met je meedenkt volgens de ‘constraint’ van de elementaire logica. Geen wiskunde, geen aandacht. Wiskunde is de taal die elke onderzoeker verstaat en objectief op terug kan vallen. Anders blijft het gewoon gissen en raden.

    Een goed/noodzakelijk begin is natuurlijk het partieel kunnen verteren van de zeer bekende Feynman lectures (alle drie chapters). Zowiezo de inleiding en de historische achtergrond lezen. Iedereen van harte aangeraden!

    https://www.feynmanlectures.caltech.edu/

  8. Marc Opdebeeck zegt

    Cees, ik ben het volledig met je eens.
    Trouwens een interessante doorverwijzing naar de feynmanlectures, dank je.

    De fysica waarin ze verwijzen heb ik eerder al voor een groot deel doorgenomen weliswaar met andere studieboeken over fysica. Ik denk dat ik de fysica en de wiskunde voldoende begrijp maar er is nog een verschil in het begrijpen van de wiskundige taal en het schrijven ervan, en daar schiet ik waarschijnlijk in tekort. Hier zou ik gemakkelijk hulp kunnen gebruiken.

    Desondanks deze tekortkoming denk ik toch dat mijn fysisch model een herziening van de huidige consensus theorieën waardig maakt.

    Groet

    Marc

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: