Nee, het heelal als geheel roteert niet

Hubble Deep Field. Credit: NASA.

Alle hemelobjecten draaien om hun as, sterren zoals de zon, planeten zoals de aarde, kometen, planetoïden, noem het maar op. Logische veronderstelling dat het grootste wat er is ook misschien wel roteert, het heelal zelf. Nou is het natuurlijk de vraag hoe je dat zou moeten waarnemen, want het heelal is zo verschrikkelijk groot en hoe zou je zo’n rotatie moeten meten? Dáár heeft men wel een manier voor gevonden en wel in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: Cosmic microwave background, CMB), de straling die zich 380.000 jaar na de oerknal loskoppelde van de materie en die het alleroudste licht in het heelal vormt. Die straling is waargenomen door satellieten zoals COBE, WMAP en Planck en door allerlei instrumenten op aarde, zoals vanuit balonnen die op de Zuidpool worden opgelaten. Als het heelal als geheel zou roteren dan zou dat merkbaar moeten zijn als een zogeheten non-gaussiaanse afwijking in de polarisatie van de CMB, dat is de oriëntatie van de golven van het licht van de CMB – een gauss-verdeling of normale verdeling verwacht je bij een verdeling zonder ‘anomaliën’ of afwijkingen, een eventuele rotatie zou als een anomalie of non-gaussiaanse afwijking te zien moeten zijn.

Zó zou een non-gaussiaanse verdeling van de CMB er uit zien. Alleen is dit niet hetgeen is waargenomen. Credit: Planck.

Eén van de grondbeginselen van de theorie van de oerknal volgens het gangbare ?CDM model is het zogeheten kosmologisch principe, dat zegt dat het heelal op grote schaal er in alle richtingen hetzelfde uitziet (isotroop) en dat het op iedere plaats dezelfde eigenschappen bezit (homogeen). Isotroop betekent dat het heelal er voor een waarnemer in elke richting hetzelfde uitziet en dat het naar alle kanten toe even snel expandeert. De isotropie van het heelal is te zien in de CMB, die in alle richtingen dezelfde temperatuur oplevert met slechts zeer minieme afwijkingen. Welnu, de isotropie en homogeniteit van het heelal is door de Europese Planck satelliet gemeten en wel door zeer nauwkeurige bestudering van die polarisatie in de CMB. Uitkomst van die metingen: de CMB heeft een gauss-verdeling, het is isotroop en homogeen. Er komen wel gaussiaanse ‘fluctuaties’ voor, maar die kunnen geheel verklaard worden uit het ontstaan van het kosmische web van enorme superclusters van sterrenstelsels in het vroege heelal. Anders gezegd: het heelal roteert niet. Hieronder de twee vakartikelen waarin het allemaal beschreven wordt.

  • Planck 2018 results. VII. Isotropy and Statistics of the CMB, arXiv:1906.02552 [astro-ph.CO]
  • Planck 2018 results. IX. Constraints on primordial non-Gaussianity, arXiv:1905.05697 [astro-ph.CO]

Zoals je ziet zijn dit de delen VII en IX van de Planck-saga. De andere gepubliceerde vakartikelen met de wetenschappelijke erfenis van Planck zijn in deze Astroblog te vinden. Bron: Space.com + Francis Naukas

(555) – 711 – 2555, het telefoonnummer van het heelal

Ik kwam vanochtend deze tweet tegen, waarin een afbeelding wordt getoond die de schaal van het heelal laat zien, van het allerkleinste (een atoomkern) tot het allergrootste (het heelal zelf). In stapjes van machten van tien zie je hoe je van het kleinste tot het grootste komt. En laten de tien exponenten nou gemakkelijk als telefoonnummer te onthouden zijn – (555) – 711 – 2555, jawel… het telefoonnummer van het heelal 😀

Ik heb overigens vaker over de schaal van het heelal geblogd, onder andere hier en daar. Oh ja en ook daar en hier. 😉

‘Het expanderende heelal, dat moet toch ergens IN expanderen?’

Credit: Courtesy of SLAC and Nicolle Rager

We hebben het hier op de Astroblogs al héél vaak gehad over het expanderende heelal, zie bijvoorbeeld deze en deze blogs, oh ja en ook deze – de keuze is reuze. Zelfs het heelal buiten het zichtbare, waarneembare heelal is behandeld, hier bijvoorbeeld. De vraag rijst dan uiteraard – uitstekend werkwoord in dit verband, rijzen – waarin het heelal dan uitdijt? Iemand uit Indiana (VS) vroeg dat een poosje terug aan natuurkundige Sabine Hossenfelder en in een blog ging ze in op die interessante vraag. Je hebt vast wel eens zo’n video gezien van een ballon met stippen die wordt opgeblazen of van een rijzende krentenbol vol met krenten, die allemaal een uitdijend heelal met sterrenstelsels daarin uitbeelden. Die ballon en krentenbol dijen toch ook ergens IN uit, in de omringende ruimte, dus waarom zou het heelal zelf dat ook niet doen?

Credit: Lars H. Rohwedder, Sarregouset.

Welnu, probleem met die video’s is dat ze een gekromd oppervlak in twee dimensies tonen, die in een niet-gekromde (‘vlakke’) driedimensionale ruimte expandeert. Nou is die kromming een intrinsieke eigenschap van dat oppervlak. Van een gekromde ruimte weten we dat de som van de hoeken van een driehoek géén 180° is, de zogeheten niet-Euclidische meetkunde (zie de afbeelding hierboven). Wij kunnen die hoeken meten, dat zouden mieren op het gekromde oppervlak van een ballon ook kunnen doen. Je hebt de omringende ruimte dus niet nodig om de kromming te meten. De kromming is ook lokaal, dat wil zeggen dat hij van plaats tot plaats kan verschillen, als is dat bij een perfect ronde ballon niet het geval. Dit principe van intrinsiek gekromde ruimte wordt ook gebruikt door Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie (ART), al wordt daarbij een driedimensionale ruimte gebruikt en één tijdsdimensie en daarin leven wij. De kromming in zo’n heelal word uitgedrukt met behulp van de krommingstensor. Door de beweging van deeltjes in de ruimte te volgen kunnen we die kromming meten en het is die kromming die hetgeen oplevert wat wij zwaartekracht noemen.

Credit: NASA/ESA.

Bij het expanderend heelal kijk je niet naar deeltjes, maar naar sterrenstelsels. Die dijen mee in de expanderende ruimte en hun snelheid is een indicatie voor de snelheid van de uitdijing – zeer recent nog in beeld gebracht met de Hubble Deep UV (HDUV) Legacy Survey. Ook deze beweging is een intrinsieke interne eigenschap, een hogere vier-dimensionale ruimte (of nog hoger) is niet nodig om de uitdijing van de drie-dimensionale ruimte en de sterrenstelsels daarin te beschrijven. Dat betekent dat er helemaal geen ‘medium’ (nodig) is om het heelal IN te laten uitdijen. Het heelal dijt dus gewoon uit (versneld zelfs dankzij de donkere energie), maar het dijt niet ergens IN uit. En ook dat hebben we eerder al eens beschreven in een Astroblog. 😀 Bron: Backreaction.

Het heelal op schaal

Olaf Frohn, die we vooral kennen van de prachtige infografieken over de ruimtevaartmissies in het zonnestelsel, heeft een kaart gemaakt, waarop het heelal op schaal gevisualiseerd is. Het is een logaritmische kaart, met links de kleinste afstanden vanaf de zon, rechts de allergrootste afstanden tot de CMB, de Cosmic Microwave Background, de kosmische microgolf-achtergrondstraling, die dateert van 379.000 jaar na de oerknal, 13,8 miljard jaar geleden – dubbelklikken om te verlogaritmiseren.

Credit: Olaf Frohn

Bron: Armchair Astronautics.

Hoe groot is het totale heelal – het heelal buiten het waarneembare heelal?

Voorstelling van het heelal. Credit: Pablo Carlos Budassi

Het gedeelte van het heelal dat voor ons waarneembaar is, omdat licht of andere signalen van objecten in dat deel de tijd hebben gehad om ons te bereiken, is 93 miljard lichtjaar in diameter – we hebben ‘t er eerder over gehad. Een waarneembaar heelal van 93 miljard lichtjaar doorsnede, gegroeid in een periode van 13,8 miljard jaar lijkt op het eerste gezicht niet te kunnen, want je zou zeggen dat niets sneller gaat dan het licht en dat de straal van het heelal dus niet meer dan 13,8 miljard jaar kan bedragen. Maar dat niets sneller gaat dan het licht, zoals Einstein in 1905 voor ”t eerst riep, geldt voor alles dat beweegt IN de ruimte, dus voor fotonen, protonen, neutronen, sterren, sterrenstelsels, raketten, etc… Maar het geldt niet voor de ruimte zelf! De ruimte kan wel degelijk sneller bewegen dan het licht en op twee momenten gebeurt dat ook daadwerkelijk:

  • zeer kort na de oerknal begon er een zeer korte, maar extreem snelle expansie van het heelal, de zogeheten inflatieperiode. Er is hier en daar wat verwarring over de omvang van het heelal voor en na de inflatieperiode, maar ga er vanuit dat het heelal op het moment dat de inflatieperiode begon (10^-36 s na de oerknal) 7,7 x 10^-30 m groot was en na de inflatieperiode met z”n exponentiële groei, die 10^-32 s duurde, 0,88 mm, zeg de grootte van een zandkorrel. In die korte periode groeide het heelal met een factor 10^26 en die expansie ging sneller dan het licht.
  • sinds eind jaren twintig van de vorige eeuw weten we door het onderzoek van de Amerikanen Vesto Slipher en Edwin Hubble dat het heelal expandeert en dat sterrenstelsels van ons af bewegen. Hubble vatte dat samen in de beroemd geworden wet van Hubble, v=HoD, waarin v de snelheid van een sterrenstelsel is, Ho de Hubble constante en D de afstand van het stelsel. Hoe verder weg sterrenstelsels staan des te harder ze zich van ons af bewegen. Crux van het verhaal is dat niet de stelsels zelf zich van ons af bewegen, zoals het in het geval van een explosie zou gaan. Nee, de sterrenstelsels bewegen allemaal mee met de expansie van de ruimte, wij en al die honderden miljarden andere sterrenstelsels in het heelal – een expansie die door de donkere energie versnelt. Uit de wet van Hubble volgt het bestaan van een zogeheten Hubble Volume, een deel van het heelal waarin de sterrenstelsels zich met maximaal de lichtsnelheid van ons vandaan bewegen. Ergo: buiten het Hubble Volume is een deel waarin de sterrenstelsels met meer dan de lichtsnelheid van ons af bewegen.

De vraag is nu of we iets zinnigs kunnen zeggen over het heelal buiten het voor ons waarneembare heelal? Als door de inflatieperiode het heelal zo extreem gegroeid is dat er delen buiten ons ‘bereik’ van het waarnemen zijn gekomen en als door de Hubble-expansie delen zelfs sneller dan het licht expanderen en die delen dus nooit voor ons zichtbaar zullen zijn, kunnen we dan weten hoe groot het totale heelal is? Jazeker, daar zijn zeker zinnige dingen over te zeggen en die zijn op grond van argumenten. Zo heeft men op grond van waarnemingen met onder andere de Planck satelliet kunnen afleiden dat de vorm van het heelal vlak is, d.w.z. dat de kromming van het heelal niet positief is, niet negatief, maar nul. Daarnaast is het heelal homogeen, dat wil zeggen dat het heelal er voor alle waarnemers hetzelfde uitziet, ongeacht waar ze zich bevinden, en isotroop, dat wil zeggen dat het heelal er voor een waarnemer in elke richting hetzelfde uitziet. Dát het heelal homogeen en isotroop is wordt het kosmologische principe genoemd, een term die voor het eerst door Arthur Milne in 1933 is genoemd.

Uit de vlakheid van het heelal en het kosmologische principe volgt dat een waarnemer in een sterrenstelsel aan de rand van het voor ons waarneembare heelal ook een heelal ziet dat homogeen en isotroop is (zie afbeelding hierboven). Berekeningen op grond hiervan laten zien dat het totale heelal minstens 400 keer groter moet zijn dan het waarneembare heelal.

Credit: NASA

De inflatieperiode zegt ook iets over de omvang van het totale heelal. Als de grootte van het heelal vanaf de start van de inflatieperiode net zo groot was als de afstand die het licht sinds de oerknal af kon leggen dan is het totale heelal 10^27 keer groter dan het waarneembare heelal. Ding dong – het totale heelal, dat 93 miljard x 10^27 lichtjaar groot is. 😯 Het zou overigens ook kunnen zijn dat het totale heelal zelfs oneindig groot is. Nog even ter afsluiting over de afbeelding bovenaan de blog. Dat is een recent gemaakte voorstelling van het waarneembare heelal, waarin de afstanden logaritmisch zijn weergegeven. In het midden is het zonnestelsel te vinden, daarbuiten de Kuipergordel, Oortwolk, Alpha Centauri, de Perseus spiraalarm van de Melkweg, de Melkweg zelf, het Andromedastelsel, nabije sterrenstelsels, de vervlochten clusters van sterrenstelsel, de kosmische microgolf-achtergrondstraling (de rode rand) en tenslotte de oerknal zelf. Hier een versie van de prachtige afbeelding in megaformaat. Credit: Pablo Carlos Budassi.

Bron: Koberlein.

Een zeer informatieve tijdlijn van verleden, heden en toekomst van het heelal

Een klein stukje van Martin Vargic z’n tijdlijn. Hieronder de complete tijdlijn. Credit: Martin Vargic / Halcyon Maps

In de tien jaar dat ik hier voor de Astroblogs schrijf heb ik al heel wat infografieken over het heelal voorbij zien komen, illustraties waarin de tijdlijn van ontstaan tijdens de oerknal tot en met het heden, ruim 13,8 miljard jaar later, worden geschetst. Maar zo compleet, zo informatief, zo veelzijdig en zo ontzettend… lang als de tijdlijn van Slowaakse grafisch ontwerper Martin Vargic is heb ik nog niet eerder gezien. Een prachtige infografiek, waarin niet alleen de tijdlijn van het heelal te zien is, maar ook van de aarde, van het leven daarop én van de mensheid. En deze gaat verder dan het heden: hij laat ook de toekomst zien, wat er met de zon, de aarde en de Melkweg in de verre toekomst gaan gebeuren. Bovenaan staat het oudste, de oerknal waarmee het allemaal begon, onderaan het einde, als de zon een witte dwerg wordt – ‘Ga’ staat voor giga, een miljard jaar.

Credit: Martin Vargic / Halcyon Maps

De tijdlijn is ook in Android en iOS te bekijken. De infografiek is hier geplaatst met de persoonlijke toestemming van Vargic, waarvoor dank! Bron en credits: Halcyon Maps.

Hoe groot is het heelal eigenlijk?

credit: NASA/JPL/STScI Hubble Deep Field Team

De vraag is al meerdere keren op de Astroblogs naar voren gekomen, hier onder andere, maar het blijft interessant om te zien hoe groot het heelal is, welke kennis en ideeën daarover zijn. Astrofysicus en blogger Brian Koberlein had onlangs een gastblog op Universe Today over de vraag hoe groot het heelal is en daarin was onder andere dit filmpje te zien. Het heelal is 13,8 miljard jaar oud, dus de verleiding is groot te denken dat het heelal dan een straal van 13,8 miljard lichtjaar heeft. Mis! Kijk naar de video en je ziet de werkelijke omvang.

Bron: Universe Today.

Illustris, de meest realistische simulatie van het heelal tot nu toe

Credit: Illustris Collaboration

Een internationale groep sterrenkundigen onder leiding van Mark Vogelsberger (MIT/Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics) heeft de tot nu toe meest realistische en gedetailleerde simulatie van grootschalige structuren en het ontstaan van sterrenstelsels in het heelal gemaakt, Illustris genaamd. De simulatie toont een kubus met zijden van 350 miljoen lichtjaar lengte en hij laat zien wat er met alle materie daarin gedurende 13 miljard jaar gebeurt, startend 12 miljoen jaar na de oerknal, eindigend bij anno nu.
Het model hanteert zowel gewone als donkere materie en Illustris hanteert daar 12 miljard 3D-pixels voor. Het kostte de sterrenkundigen vijf jaar om het computerprogramma te ontwikkelen, de simulatie zelf kostte drie maanden tijd op maar liefst 8000 processors (CPU’s), een klus die op één gewone PC 2000 jaar zou hebben geduurd. Aan het einde van de simulatie bleken 41.416 sterrenstelsels te zijn ontstaan, een mix van spiraal-, elliptische en onregelmatige stelsels. In het model zijn niet alleen grootschalige verschijnselen opgenomen, zoals het ontstaan van (super-)clusters van sterrenstelsels, maar ook kleinschalige verschijnselen zoals supernovae, de evolutie van sterren en het ontstaan van zware chemische elementen. Op deze pagina vind je talloze wetenschappelijke artikelen over Illustris. Morgen verschijnt in Nature een artikel over de Illustris-simulatie. Hieronder een video over de simulatie, daaronder een infografiek over Illustris.

Credit: Karl Tate/Space.com

Source SPACE.com: All about our solar system, outer space and exploration.

Bron: CfA + Space.com.

Dijt het heelal uit of krimpt de meetlat waarmee we het meten?

Het expanderende heelal. Credit: NASA/WMAP

Als iets groter lijkt te worden kan dat twee dingen betekenen: het wordt daadwerkelijk groter óf hetgeen waarmee je het meet wordt kleiner. Die gedachte kan je ook toepassen op het gehele heelal. Dat lijkt ook uit te dijen, zoals Edwin Hubble eind jaren twintig van de vorige eeuw door de waarnemingen van de roodverschuiving van ver verwijderde sterrenstelsels liet zien, en het lijkt zelfs versneld uit te dijen, zoals twee teams sterrenkundigen in 1998 lieten zien aan de hand van waarnemingen aan supernovae. Maar het kan ook betekenen dat het helemaal niet uitdijt, maar dat de meetlat waarmee we de grootte van het heelal opmeten – feitelijk terug te voeren tot de hoeksteen van alle lengtes, de zogenaamde Planck-lengte, kleiner wordt. Dat laatste is het idee van de Duitse theoretisch fysicus Christof Wetterich, een idee dat vandaag beschreven wordt in een artikel van Martijn van Calmthout in de wetenschapsbijlage van de Volkskrant. Ik zal het artikel hier niet helemaal uit de doeken doen, over de ideeën van Wetterich kan je ook in deze Astroblog terecht, maar de ideeën van Wetterich zijn in ieder geval het overdenken waard en daarom is het ook aan te raden deze Volkskrant te kopen en het artikel te lezen. Zelf denk ik dat Wetterich geen gelijk heeft, omdat het mij allemaal teveel doet denken aan de Steady State theorie van Fred Hoyle c.s., dat ook een alternatief bood voor de theorie van de oerknal en dat zocht in een continue creatie van materie, waardoor het lijkt alsof het heelal uitdijt. In een andere blog zal ik daar wel eens wat meer voeding voor aandragen, nu laat ik het hierbij en ga ik over tot de orde van de dag eh… van Koningsdag. 🙂

Hoe ver kunnen we met het blote oog het heelal in kijken?

Als we op een heldere avond de sterren aan de hemel zien vragen we ons vast wel eens af hoe ver die sterren van ons staan en hoe ver de verste ster staat die we nog kunnen zien. Dat brengt ons bij de vraag hoe ver we met ons blote oog het heelal in kunnen kijken en dat blijkt verrassend ver te zijn. In ons eigen zonnestelsel zien we de maan (afstand 385.000 km) en de zon (150 miljoen km), maar het verst verwijderde object in het zonnestelsel dat we kunnen zien is Saturnus (1,5 miljard km), al schijnt Uranus (2,87 miljard km) bij heldere nachten tijdens oppositie net te zien te zijn. Buiten het zonnestelsel zijn er natuurlijk de sterren en al die duizenden sterren aan de hemel behoren tot onze eigen Melkweg. De helderste ster aan de hemel is Sirius en die staat slechts 8,6 lichtjaar van ons vandaan – 1 lichtjaar is 10 biljoen km. De heldere ster Deneb in Zwaan (zie hieronder) staat op maar liefst 1500 lichtjaar afstand en de meest ver weg staande sterren die we nog net met onze blote ogen kunnen zien staan zo’n 8000 lichtjaar ver weg.

Deneb, een ster in het sterrenbeeld Zwaan (Cygnus). Credit: 2003 Torsten Bronger.

Hebben we ‘t dan gehad? Nee hoor, we kunnen nog verder kijken. Want op heldere avonden onder een donkere hemel kan je de bolhoop M13 zien, die zo’n 25.000 lichtjaar van ons vandaan staat en op het zuidelijk halfrond zien ze de Grote en Kleine Magelhaense Wolken, op 170.000 resp. 190.000 lichtjaar afstand, die we ook zo zonder hulpmiddelen kunnen zien. 

De bekende bolhoop M13 – Foto: Rainer Zmaritsch

Hebben we ‘t dan gehad? Nee hoor, we kunnen nog verder kijken. 🙂 Want bij ons op het noordelijk halfrond zien we bij heldere avond en donkere hemel het Andromedastelsel (M31), die maar liefst 2,6 miljoen lichtjaar van ons vandaan staat (zie hieronder).

Andromeda-halo-hubble-NASA-Moon-comparison. Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

Hebben we ‘t dan gehad? Nee hoor, we kunnen nog verder kijken, tenminste als we even afstappen van de categorie vaste objecten. Er zijn namelijk af en toe momenten geweest dat er dingen in het heelal gebeurden die we ook met het blote oog hadden kunnen zien áls we de juiste kant uit hadden gekeken. Op de gedenkwaardige woensdagochtend 19 maart 2008 verscheen er bijvoorbeeld een gammaflitser in het sterrenbeeld Ossenhoeder</a (Boötes), die tijdens het maximum een schijnbare visuele helderheid had van maar liefst 5,6m – magnitude zes is de grens om iets met het blote oog te zien. Tussen 07u 13m 21,2s en 07u 13m 31,2s die ochtend werd de optische helderheid van GRB 080319B, zoals hij wordt genoemd, vastgesteld op die ongelofelijke 5,6m.

De afstand tot deze gammaflitser? Zeven komma vijf miljard lichtjaar – Ding dong!

GRB 080319B. Credit: NASA/Swift/Stefan Immler, et al

Afijn, als we op een heldere avond zonder storend stadslicht naar boven kijken kunnen we naar het Andromedastelsel kijken en daarmee 2,6 miljoen lichtjaar ver weg kijken. Behoorlijk ver weg, nietwaar? Hieronder een video met Fraser Cain van de Universe Today, die hieraan aandacht schenkt.

Bron: Universe Today.