Site pictogram Astroblogs

Nog even over dat ΛCDM-model van het heelal en dan met name de uitdijing ervan

Het Λ-CDM model. Credit: Design Alex Mittelmann, Coldcreation

Vrijdagavond gaf ik een lezing bij sterrenkundevereniging Chr. Huygens in Papendrecht over de Hubble-spanning en op een gegeven moment was er een vraag van Ron, Astrobloglezer en ook aanwezig bij de lezing, over deze grafieken (dubbelklikken a.u.b. voor een grotere versie):

De linker- en middelste grafiek laten de waarde zien van de Hubble parameter op enig moment in de geschiedenis van het heelal, de rechter grafiek is het bekende plaatje dat het heelal in het ΛCDM model moet voorstellen, het concordantiemodel dat er van uit gaat dat je in het heelal donkere energie (Λ, Einstein’s kosmologische constante) hebt én koude donkere materie (Engels: CDM). Die Hubble parameter is de evenredigheidsfactor tussen de snelheid van sterrenstelsels en hun afstand, conform de wet van Hubble-Lemaître, een parameter die afgelopen 13,8 miljard jaar niet constant is geweest, maar die in waarde gevarieerd heeft. De huidige waarde van de Hubble parameter kennen we onder de naam Hubble constante (H0), die constant is in de ruimte, maar niet in de tijd – lees deze blog er nog eens over. In de twee linkergrafieken zien we de Hubble parameter eerst sterk afnemen en dan bij ca. 7 miljard jaar na de oerknal langzaam weer toenemen, hetgeen te maken heeft met de afstotende werking van de donkere energie die dan de kosmische Tug of War met de zwaartekracht gewonnen heeft en vanaf dat moment sterker is – lees deze blog er nog eens over.

Ron vond die curve van de Hubble parameter niet duidelijk terugzien in de illustratie van de evolutie van het heelal volgens het ΛCDM model, zoals te zien rechts in de afbeelding. Op de één of andere manier had ik er vrijdag niet echt een duidelijk antwoord op, maar ik heb e.e.a. uitgezocht, servicegericht als altijd, jullie kennen mij, en daarom hier alsnog mijn visie op de grafieken. Waar het om draait is dat sinds de oerknal 13,8 miljard jaar geleden begon het heelal altijd aan het uitdijen is. Alleen is de snelheid van die uitdijing wisselend geweest. Allereerst was er in de eerste fractie van een seconde na t=0 (dus 13,8 miljard jaar geleden) een zeer korte periode van exponentiële expansie, de bekende inflatiefase van het heelal. Die zie je wel in de ΛCDM-grafiek, niet in de twee linkergrafieken. Toen de inflatie afgenomen was ging de uitdijing verder in een veel lager tempo. En dat tempo nam in de miljarden jaren daarna af, hetgeen komt doordat de zwaartekracht veroorzaakt door (donkere) materie z’n werking doet en de uitdijing vertraagd. Deze periode duurt tot zo’n 5 á 6 miljard jaar geleden, te zien als de dalende curve in de meest linker grafiek. De daling is ook waargenomen, hetgeen je ziet aan de grafiek hieronder.

Credit: Caltech GALAX Survey/BOSS/SDSS

En dan pakweg zeven miljard jaar geleden: de snelheid waarmee het heelal uitdijt neemt weer toe. Die toename is het gevolg van de afstotende werking van de donkere energie. Donkere energie is vermoedelijk een soort van vacuümenergie die samenhangt met de ruimte en tot dat moment 5 á 6 miljard jaar geleden was de hoeveelheid ruimte te gering om de donkere energie te laten overheersen over de (donkere) materie, daarna was de donkere energie sterker, simpelweg omdat er door de uitijding van het heelal meer ruimte was en daardoor meer donkere energie.

Kortom, eerst inflatie, dan een uitdijing die steeds langzamer in tempo gaat en dan na pakweg 7 miljard jaar (bij roodverschuiving z∼0,5) weer in tempo toeneemt. Zien we dat terug in de ΛCDM grafiek? Jazeker, al moet ik zeggen dat het er niet van af spat hoe de curve verloopt. De inflatie is er goed in te zien, want links zie je het heelal na de oerknal direct veel groter worden, hetgeen in die exponentiële fase ook daadwerkelijk plaatsvond (volgens de theorie van de inflatie tenminste, dat is nog slechts een hypothese). Daarna zie je een uitdijing die vrij stabiel lijkt, de lijn is vrijwel horizontaal, totdat de donkere energie op een gegeven moment gaat winnen en de versnelde uitdijing inzet.

Oorzaak van de verwarring is denk ik dat de grafieken links en in het midden een curve laten zien die eerst daalt en dan weer stijgt. Je krijgt daarmee de indruk dat het heelal eerst moet zijn gekrompen en daarna weer aan het uitdijen is geslagen. Maar dat is niet wat de linker- en middelste grafiek laten zien, niet een krimp en daarna een uitdijing. Ze laten wél de verandering zien in het tempo van de uitdijing, eerst een afnemend tempo van uitdijing (die pakweg eerste 7 miljard jaar), daarna een versneld tempo van uitdijing. Kortom, daar zit volgens mij de crux van de verwarring.

 

Mobiele versie afsluiten