Icon up Overzicht

Kosmologie, donkere materie en melkwegstelsels

Onderwerp: Astrofysica, Nanotechnologie, Sterrenkunde

De aarde is maar een klein onderdeel van ons zonnestelsel. De zon, de 9 planeten met hun manen, de planetoïden en de kometen vormen samen ons zonnestelsel. Onze zon is slechts één van de vele sterren uit ons melkwegstelsel (en ons melkwegstelsel bevat 100 miljard sterren). Tenslotte hoort ons melkwegstelsel weer tot een groep melkwegstelsels, ook wel een cluster genoemd. Je kunt je dus wel voorstellen dat, naarmate je hoger in de hiërarchie gaat, de afstanden enorm groot worden. Binnen ons zonnestelsel wordt dan ook met een speciale eenheid gerekend: de astronomische eenheid (AE). Eén AE is de gemiddelde afstand van de aarde tot de zon en dat is ongeveer 150 miljoen km. Binnen ons melkwegstelsel wordt vaak met de eenheid ’lichtjaar’ gewerkt. Dit is de afstand die het licht in 1 jaar aflegt en die is ongeveer 10 biljoen kilometer.

Wat is ver? Wat is groot? Wat is klein?

Elk plaatje is steeds een vergroting of verkleining van 10 x het vorige plaatje. De notatie. Het getal dat aan het eind van elke regel verschijnt, komt overeen met de lengte (en ook de breedte) van het plaatje. Heb je nu enig idee over welke afstanden we praten? De aarde is maar een klein puntje in het heelal.

Kosmologie

Kosmologie is de wetenschap die deze globale structuur en ook de evolutie van het heelal bestudeert. Volgens de huidige inzichten is het heelal zo’n 14 miljard jaar geleden ontstaan. De ‘oerknal’ wordt als beginpunt gezien. Op dat moment ‘explodeerde’ een puntvormig begin met een oneindig hoge dichtheid en temperatuur. De uitbreiding of expansie van het heelal begon vanaf dat moment. Tevens werden als eerste de lichtere elementen zoals helium en waterstof gevormd. Door afkoeling vormden deze elementen de eerste hemellichamen. Sinds die tijd is het heelal gevormd tot wat het nu is. Het heelal verandert echter nog steeds. Dat roept eigenlijk twee interessante basisvragen op:

  • Hoe is het heelal geëvolueerd?
  • Hoe zal het heelal in de toekomst veranderen?

Vragen roepen om vragen....Je kunt je voorstellen dat het onmogelijk is om deze vragen eenvoudig te beantwoorden. Hierin ligt een grote uitdaging voor de kosmologie. Eigenlijk roepen deze vragen allerlei subvragen op. Voorbeelden zijn: Waar is alle massa gebleven? Hoe en wanneer vormen melkwegstelsels? Hoe is het heelal opgebouwd? Hoe snel dijt het heelal uit?

Een massatekort....

Elementen zoals wij ze kennen zijn slechts voor 10 procent van de massa in het heelal verantwoordelijk. De overige 90 procent kunnen we niet waarnemen. We weten echter dat die massa er wel moet zijn, omdat anders het heelal in elkaar zou klappen. Zoals je weet oefenen objecten met een zekere massa een kracht op elkaar uit: de zwaartekracht. De maan wordt aangetrokken door de aarde, de aarde op haar beurt weer door de zon, etc. De zwaartekracht houdt eigenlijk alles bij elkaar en hiervoor is dus een bepaalde hoeveelheid massa nodig. Waar is die ontbrekende massa dan gebleven? Dat is nog steeds niet helemaal duidelijk. Omdat de massa niet waarneembaar is, wordt het donkere materie genoemd.

Er zijn twee oplossingen bedacht om de ontbrekende massa op te hoesten. Dit zijn de zogenaamde Macho’s en Wimp’s.

Macho’s (MAssive Compact Halo Objects) zijn allerlei zware en donkere hemellichamen, zoals bruine en witte dwergen. (Weakly Interacting Massive Particles)Wimp’s zijn niet baryonische deeltjes. Deze deeltjes zijn echter nog nooit waargenomen.

Sterren tot 8 zonsmassa's hebben niet genoeg massa om de temperatuur in de kern op te laten lopen, zodat koolstof gaat fuseren (600 miljoen K) . De ster stort ineen en deze contractie wordt door niets gestopt, totdat een stadium van volledige degeneratie van materie is bereikt. In het centrum van de planetaire nevel is de kleine, gedegenereerde sterkern, een witte dwerg. Omcirkeld: witte dwergen in cluster M4. Inzet: witte dwerg. Bron: NASA

INTERMEZZO. Wat zijn baryonische deeltjes? Materiedeeltjes zijn opgebouwd uit weer kleinere deeltjes: quarks of leptonen. Quarks vormen altijd groepjes, dit worden hadronen genoemd. Alle hadronen die uit drie quarks bestaan worden baryonen genoemd. Twee bekende voorbeelden hiervan zijn protonen en neutronen.

Recentelijk hebben wetenschappers het onderscheid gemaakt tussen donkere materie en donkere energie. Donkere energie wordt gezien als een soortanti-zwaartekracht. Met andere woorden, de expansie van het heelal wordt door donkere energie veroorzaakt.

Structuur en evolutie

Wanneer je naar sterren kijkt die erg ver weg staan, kijk je eigenlijk naar het verleden. Het uitgezonden licht heeft er namelijk miljarden jaren over gedaan om hier te komen. Door de vele waarnemingen hebben we inzicht gekregen in de structuur van het heelal. We weten dat melkwegstelsels in verschillende grootte en soort voorkomen. We verkrijgen deze informatie door naar de roodverschuiving te kijken. Licht dat ontvangen wordt van verre melkwegstelsels heeft een grotere golflengte dan toen het uitgezonden werd. Vandaar een verandering in frequentie. Dit wordt roodverschuiving genoemd en dit is het gevolg van het Dopplereffect dat optreedt bij lichtgevende voorwerpen die naar je toe of van je af bewegen. Vergelijk dit met het akoestische Dopplereffect, dat bijvoorbeeld optreedt bij een sirene van een brandweerauto die langsrijdt. Dit weten we dus wel, maar de vraag blijft hoe melkwegstelsels zich vormen.

Edwin Hubble

Sinds Edwin Hubble (bekend van de Hubble telescoop!) is men er van overtuigd dat het heelal zich nog steeds uitbreidt. Over de snelheid waarmee deze expansie gepaard gaat, is echter nog geen eenduidig antwoord gevonden. De Hubble-constante geeft de snelheid aan waarmee het heelal groeit. Een hoge waarde betekent een hoge snelheid en dit houdt ook in dat het heelal minder oud is. Een lage waarde betekent een lagere snelheid en dus ook een ouder heelal.

De Hubbletelescoop.

Al met al liggen er grote uitdagingen in de ontdekking van het heelal!