12 augustus 2020

Dit stukje hemel – 50 maandiameters breed – is 13,8 miljard jaar oud en 20 miljard lichtjaar groot

Credit: ACT Collaboration

Het stukje hemel waar je hierboven naar kijkt is slechts 25° breed, pakweg vijftig keer de diameter van de Volle Maan. Da’s de schijnbare diameter, zo groot lijkt dat stukje hemel te zijn. Maar in werkelijkheid is de breedte van deze strook maar liefst twintig miljard lichtjaar! De foto is gemaakt met de Atacama Cosmology Telescope (ACT), die zich bevindt in de Atacama woestijn in Chili. Het is een foto die het alleroudste licht van het heelal laat zien, de fotonen van de kosmische microgolf -achtergrondstraling, het restant van de hete oerknal, waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond – de fotonen werden 380.000 jaar na de oerknal ‘losgelaten’, op het moment van het oppervlak van de laatste verstrooiing.

De Atacama Cosmology Telescope. Credit: ACT Collaboration.

Die straling – in het Engels CMB genoemd (Cosmic Microwave Background) – is eerder door satellieten als COBE, WMAP en Planck bestudeerd en nu dus door ACT, vanaf de aarde. Al die verschillende kleuren in de afbeelding stellen minieme temperatuursverschillen in de CMB voor, de rode gebieden zijn pakweg een honderdduizendste graad warmer dan het gemiddelde, de blauwe gebieden kouder. De temperatuursverschillen wijzen op verschillen in de dichtheid van de materie in het vroege heelal: de rode gebieden zullen uitgroeien tot de (super-)clusters van sterrenstelsels, de blauwe gebieden tot de leegtes daartussen, de gebieden waar zich verhoudingsgewijs minder sterrenstelsels bevinden. Tussen de koude pieken en de warme pieken zit telkens gemiddeld een miljard lichtjaar. Kijk je niet naar de temperatuur, maar naar de polarisatie van het licht, dan zit er tussen de pieken van polarisatie telkens een half zo groot verschil, pakweg 500 miljoen lichtjaar tussen de pieken.

Met ACT is de CMB in die strook uitgebreid bestudeerd en dat heeft geresulteerd in twee wetenschappelijke artikelen:

Uitkomst van beide vakartikelen: het heelal is 13,77 miljard jaar oud met een marge van 40 miljoen jaar. En de waarde van de Hubble Constante H0, de maat voor de snelheid waarmee het huidige heelal uitdijt, is 67,6 kilometer per seconde per megaparsec, in overeenstemming met de waarde die de Planck satelliet eerder vond, 67,4 km/s/Mpc (zie de afbeelding hieronder én daaronder).

En deze:

Daarmee is de gevonden waarde van de Hubble constante H0 afwijkend van de metingen die in het huidige heelal gedaan zijn met behulp van Cepheïden en type Ia supernovae (de paarse waarden in de grafiek hierboven), wederom een bevestiging van de Hubble-spanning. Die blijft dus bestaan, wijzend op een fout in één van de twee ‘kampen’ (vroege heelal versus huidige heelal) óf op Nieuwe Natuurkunde, natuurkunde die niet wordt beschreven volgens het heersende Λ-CDM model van de kosmologie. Bron: Simons Foundations.

Comments

  1. Kan ook gewoon thermische ruis zijn afkomstig van de aarde, atmosfeer en de detectors; dat hebben ze “geëlimineerd” door “data selection” op pag 4, maar volgens mij zit je wel met een groot onbekend aandeel eigen ruis in dit EHF spectrum (100-150 GHz) Ze hebben het er maar moeilijk mee op pag 5, ofwel hoe betrouwbaar is dit allemaal zonder crosscorrelaties met andere ontvangers op andere locaties? En kan dit wel met zo weinig random fotonen? De CMB meten vanaf aarde met deze “nauwkeurigheid” is m.i. gewoon vragen om problemen. Knap dat ze dan toch in de range van H0 zijn gekomen….

    • Thermische ruis van de aarde met een temperatuur van -270 graden Celcius? Dat denk ik toch niet. De CMB is al in 1964 ontdekt door radio-ontvangers, toen ook op aardse bodem in de VS, en ik denk dat ze afgelopen decennia aardig onderscheid hebben weten te maken tussen de 400 fotonen per kubieke cm van de CMB en de achtergrondruis (niet alleen van de aarde, maar ook van andere astronomische bronnen).Maar je hebt wel gelijk dat ze daar ook goed naar moeten kijken.

      • De aarde heeft een temperatuur van 288K, dus als je de detectors niet voldoende met helium afkoelt sijpelt die ruis makkelijk in je metingen. De detectors zelf kunnen weinig meten als die niet onder die CMB temperatuur worden afgekoeld vanwege hun eigen Black-body straling. https://en.wikipedia.org/wiki/Black-body_radiation Dit geldt ook voor alle andere bronnen met een hogere waarde dan die 2.72548 K CMB die je zorgvuldig moet elimineren. “In practice it is hard to take the effects of noise and foreground sources into account. In particular, these foregrounds are dominated by galactic emissions such as Bremsstrahlung, synchrotron, and dust that emit in the microwave band; in practice, the galaxy has to be removed, resulting in a CMB map that is not a full-sky map. In addition, point sources like galaxies and clusters represent another source of foreground which must be removed so as not to distort the short scale structure of the CMB power spectrum.” zie https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmic_microwave_background en dit citaat “Back to the signal-to-noise, The system temperature is a combination of the sky (eg. noise generated above antenna that we don’t want to detect such as our own galaxy, nearby sources, CBR, etc.) temperature and the temperature of the receiver, the thermal (or Johnson) noise of the electrical components of the receiver: etc. zie http://myslu.stlawu.edu/~aodo/astronomy/ALFALFA/Astronomy%20Basics/RadiometerEquation.pdf Vandaar dat het jaren heeft geduurd om dit specifieke stukje van het heelal “schoon” te publiceren.

  2. Wybren de Jong zegt

    “20 miljard lichtjaar groot” – dit roept bij mij wel de vraag op: hoe groot was het heelal destijds? Ik bedoel, het gaat dan om ongeveer 380.000 jaar na de oerknal. Was het heelal toen al pakweg 1000 miljard (1 biljoen) lichtjaar groot?

    • Nee, die twintig miljard lichtjaar is de grootte van de strook in het tegenwoordige heelal, niet van toen, 380.000 jaar na de oerknal. Het huidige waarneembare heelal is 94 miljard lichtjaar in diameter.

    • De CMB heeft een redshift van z=1090

      Dus eenvoudig weg kan je stellen dat een meter van toen (380.000 jaar na de BB), nu 1090 meter is geworden agv de expansie

      De straal van het huidige waarneembare heelal was destijds 1090 keer zo klein, 45.780.000.000 : 1090 = 42miljoen lichtjaar

      De temperatuur toen was 3000Kelvin, en nu dus 3000 : 1090 = 2,75Kelvin

      De dichtheid is sindsdien met een factor van 1090 in het kwadraad afgenomen, van een paar miljoen (sub)atomaire deeltjes per kubieke meter toen, naar slechts enkele per m3 nu

  3. Voor de liefhebber, dit zit er in de ALMA front-ends, die koelen hun LNA versterkers tot 4ºK https://link.springer.com/article/10.1007/s10686-019-09641-z

  4. Iets klopt er dan toch niet in die berekening? Of zie ik wat over het hoofd?
    25 graden is zeg pakweg 7,5 procent van de diameter van het heelal. Het oudste licht in de diameter van het heelal kan hooguit 13,8 maal 2 oud zijn.
    Het heelal kan groter zijn omdat er ruimte bijkomt. Maar die ruimte die erbij komt vult de ruimtes tussen het oudste licht. Oké, dus kan het wel.
    Maar als een strook van 25 graden 20 miljard lichtjaar is, zou het waarneembaar heelal dan geen 300 miljard lichtjaar moeten zijn (15x)?
    Jij weet vast het antwoord Arie.

    • Ik denk dat je diameter en omtrek verward, @Peter. De omtrek van het waarneembaar heelal is ongeveer 300 miljard lichtjaar, de strook van 25 graden is deel van die omtrek vanuit het perspectief in kwestie (het onze) en niet van de diameter.

      • Ja, klopt. Ik dacht te kort en verzond te snel.????

      • Krijg net een oprisping… de straal kunnen we wel bepalen van het zichtbare heelal, maar betekend dat dan dat de diameter dan automatisch 2 x de straal is? We praten dan over een deel dat we niet kunnen zien en we nemen dus aan dat er na de BB een bolvormige expansie heeft plaatsgevonden waarbij de zichtbare en onzichtbare materie isotroop is verdeeld. Ik denk dat we wat voorzichtiger moeten zijn met die diameter of mis ik iets?

        • Het zichtbare heelal Nico 😉 Dus we praten juist niet over het deel dat we niet kunnen zien. Of ik begrijp wat je zegt even niet.

          We nemen inderdaad wel het een en ander aan, maar als we in alle richtingen even ver kunnen zien, en daar lijkt het wel op, dan levert dat een bolvormig zichtbaar heelal op, hoe het verdere heelal eventueel ook gevormd is.

          Mocht het zichtbare heelal de vorm hebben van iets anders dan een bol, dan zouden we dat terugzien, zoals in temperatuurverschillen in de CMB. Die zou vanuit verschillende richtingen koeler of juist warmer zijn. Stel dat het zichtbare heelal een sigaarvorm had, dan zou uit de punten daarvan koelere straling komen dan uit het midden want het licht is meer roodverschoven.

          Het zou kunnen dat het geen perfecte bol is, de CMB is niet isotroop op kleinere schalen, er is wellicht een anomalie of twee, maar het komt er wel heel dicht bij in de buurt. Goed genoeg voor d=2r, zeker als je het op miljarden lichtjaren afrondt.

          Maar in zo’n geval (geen bol) gaat de discussie niet over het waarneembare maar het werkelijke heelal. Het waarneembare is eigenlijk per definitie een bol.

          • @June, ik had wat duidelijker moeten zijn, ik refereer aan https://www.astroblogs.nl/2020/05/24/over-de-anita-anomalieen-het-anti-universum-en-cpt-symmetrie/ ofwel het idee dat na de oerknal het heelal wellicht uit 2 symmetrische delen bestaat… Neil Turok heeft dit ook in diverse lectures als optie staan, met het idee dat de totale massa-energie (m.u.v. die initiële kwantum fluctuatie) dan exact 0 is. In dat geval kan je niet zomaar uit de straal een diameter afleiden; je zou dan kunnen zeggen dat het onzichtbare anti-deel er dan niet bij hoort natuurlijk 🙂 .

          • Als het om het zichtbare heelal gaat, tellen de onzichtbare delen niet mee. Als ik midden in een kubus hang van 1x1x1 meter en ik kan niet verder zien dan 10 cm in elke richting, dan heb ik een waarneembaar heelal met een bolvorm met een diameter van 20 cm. De vorm van wat daarbuiten is, is niet van invloed.

            Turok heeft het niet over dat waarneembare heelal maar over het heelal als geheel.

  5. Het zou interessant zijn om net zoals dr. Rennan Barkana het aantal twin hotspots in kaart te brengen, als support voor duale Herbig Haro hotspots ( Big Bang zwart gat brokstukken) in het vroege heelal.
    kijk op: https://bigbang-entanglement.blogspot.com/2018/03/israeli-scientist-detect-signs-of-dark.html

  6. Toch nog een opmerking over de optische vertaling van dit Ishihara testplaatje, wordt hier nu de temperatuur bepaald door lange termijn integratie van het aantal random fotonen die na verloop van tijd op dezelfde plek op de sensor terecht komen (een soort gecumuleerde flux dichtheid dus) of aan de hand van golflengte verschillen volgens E = h.f dat een maat is voor de kleurtemperatuur in ºK van de gedetecteerde fotonen, en zo ja, hoe voorkomt men dan sommatie… of wordt ieder gedetecteerd foton apart geclassificeerd?

Trackbacks

  1. […] uit de welbekende Hubble-spanning. Vorige week kwam men met de Atacama Cosmology Telescope ook al op een dergelijke lage waarde uit. Verder blijkt de kromming van het heelal nul te zijn, dat wil zeggen dat de ruimte in het heelal […]

Speak Your Mind

*

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

%d bloggers liken dit: