Het mysterie van donkere energie
Het mysterie van donkere energie
Donkere Energie In 1998 bleken supernova’s type 1A zwakker dan verwacht Door meerdere teams gemeten Dit betekent dat de uitdijingsnelheid een paar miljard jaar geleden begon toe te nemen Geen echte verklaring voorhanden. Dus dan maar een soort vacuüm energie die tegengesteld aan de zwaartekracht werkt, een negatieve zwaartekracht dus Negatieve zwaartekracht houdt materie niet bij elkaar maar stoot het juist af
Kosmische achtergrondstraling die door zware gravitatievelden reist krijgt meer energie (kleurt blauw). Dit wordt het Sachs Wolfe effect genoemd. Door kaarten met ingekleurde achtergrondstraling te vergelijken met
sterrenkaarten kan aangetoond worden of donkere energie daadwerkelijk bestaat In 2003 leek er een voorzichtige correlatie te bestaan In 2012 is de correlatie en dus de kans dat donkere energie bestaat met 99,996% zekerheid aangetoond
In 2011 is voor de ontdekking van de versnelde uitdijing van het heelal de Nobelprijs voor de natuurkunde toegekend.
Donkere Energie Expansie heelal lijkt zich te versnellen. Gemeten met afstand indicatoren (Type 1A supernova’s) Door exploderen witte dwerg als deze meer dan 1,4 x massa zon wordt door absorptie massa/botsing companion star.
Supernova type 1A produceert dus vaste hoeveelheid licht.
Helderheid van deze supernova is daarom een directe maat voor de afstand.
Afgelopen decennium honderden supernova’s type 1A bemeten.
Expansie heelal versnelt sinds 5 miljard jaar Metingen met deze supernova’s tonen aan dat 71,3% van het heelal uit donkere energie bestaat
Donkere Energie Andere methodes die donkere energie bevestigen: Kosmische achtergrondstraling Metingen met WMAP satelliet aan kosmische achtergrondstraling tonen aan dat het heelal vrijwel vlak is
De massa/energie dichtheid moet hiervoor een zekere (berekende) kritische waarde hebben
De totale hoeveelheid massa (baryonisch en donkere materie) berekend uit de kosmische achtergrondstraling voorziet slechts voor 30% van de massa benodigd voor de kritische waarde
Er moet dus ‘iets’ zijn dat voorziet in de resterende 70% benodigd voor een vlak heelal
Recente metingen tonen met deze methode 72,8% donkere energie.
De theorie van de grote structuren in het heelal Ook deze theorie geeft aan dat er maar 30% van de benodigde kritische massa is
In 2011 toonde een onderzoek door een Australisch observatorium naar de roodverschuiving van 200.000 sterrenstelsels tot een afstand van 6 miljard lichtjaar. Hiermee kon van deze stelsels nauwkeurig afstand en snelheid werden bepaald. Deze gegevens bevestigen de geobserveerde versnelde expansie sinds 7 miljard jaar geleden.
Donkere Energie Zonder donkere energie was de toekomst van het heelal eenvoudig in te schatten:
• Bij een zgn kritische massadichtheid zou de uitdijing van het heelal in het oneindige juist tot stilstand komen en heeft het heelal een vlakke ruimtelijke geometrie. • Als de massadichtheid groter is dan de kritische massadichtheid zal het heelal uiteindelijk ineenstorten en is de kromming van het heelal positief (bolvorm) • Als de massadichtheid kleiner is zal het heelal altijd uit blijven dijen en is de kromming van het heelal negatief (zadelvorm)
Donkere Energie Donkere energie heeft de toekomst van het heelal
danig verstoord: Ook als de massadichtheid groter is dan de kritische massadichtheid kan het heelal eeuwig blijven uitdijen Er is geen geometrie meer die een eenduidig verband heeft met de kritische massadichtheid Ook een vlak heelal (en alle metingen duiden hierop) kan eeuwig blijven uitdijen
Uiteindelijk zullen sterrenstelsels zich zover van elkaar verwijderen dat andere sterrenstelsels niet meer zichtbaar zullen zijn
Donkere Energie Alle metingen tonen consistent het onderstaande energiebudget:
Donkere Energie Donkere energie Homogeen verdeeld in heelal Zeer kleine dichtheid (10-29 gram/cm3) Alleen interactie met gravitatiekracht Kan dus niet in een laboratorium opstelling worden aangetoond Een hypothetische (vacuüm) energie die zich verspreidt in de ruimte en een druk uitoefent waardoor het heelal expandeert. Door deze expansie is er meer vacuüm en daardoor meer vacuüm energie weer leidt tot verdere expansie, dit in steeds toenemende mate. Expansie zelfs veel sneller dan de lichtsnelheid. Het effect van donkere energie is klein op de schaal van sterrenstelsels maar essentieel voor het universum als geheel.
Donkere energie Twee modellen die donkere energie kunnen verklaren
Kosmologische constante Algemene relativiteitstheorie (1916):
Kosmologische constante (vacuüm energie) als tegenwicht gravitatie om een stabiel heelal te bewerkstelligen. Hubble toonde aan dat heelal expandeert (1929) en Einstein verklaarde kosmologische constante als ‘grootste blunder’.
Nu blijkt dat de expansie van het heelal keurig overeenkomt met de kosmologische constante (10-29 g/cm3). Dit is dus een vacuümenergie die overal constant is.
De vacuümenergie is niet alleen overal constant maar ook constant gedurende de gehele geschiedenis van de kosmos
Had Einstein toch gelijk over iets waarvan hij dacht dat het zijn grootste blunder was?
Quintessentie Quintessentie is een kosmisch veld dat kan variëren in tijd en ruimte.
Het veld moet zwak zijn Het voorspeld een langzamere expansie dan de Kosmologische constante
Quintessentie heeft niet overal de zelfde waarde
Scalar fields worden voorspeld door het standaard model en de snaar theorie Quintessentie leidt tot een nieuwe kracht die er niet altijd is geweest en in de toekomst langzaam zal verdwijnen.
Donkere Energie Toekomst van het heelal
Donkere energie Alternatieve verklaringen: Christos Tsagas (universiteit van Thessaloniki) beweert dat wij in een
ruimte bubble van 2,5 miljard lichtjaar zitten die sneller beweegt dan de rest van de ruimte. Als dit correct is (nog niet aangetoond) is er geen behoefte meer aan donkere energie (wel Dark Flow) Sommige fysici denken dat de algemene relativiteits theorie aangepast moet worden voor de hele grote afstanden (groter dan superclusters). Maar pogingen hiertoe blijken niet overeen te komen met waarnemingen. Alternatieven uit snaartheorie, braan kosmologie en holografisch principe lijken veelbelovend maar zijn (nog) niet zo nauwkeurig als de kosmologische constante Recente metingen aan het Sachs Wolfe effect lijken aan te geven hoe eventueel wel de relativiteitstheorie moet worden aangepast. De gegevens van de Planck satelliet moeten daarover binnenkort uitsluitsel geven. Dit kan leiden tot een geheel nieuw begrip over hoe gravitatiekrachten werken.
Donkere energie
PAUZE
Donkere Energie Ouderdom heelal bepaald met donkere energie/ expansie modellen is consistent met andere metingen.
Donkere Energie De snelheid van de uitdijing van het heelal :
7,5 miljard jaar geleden versnelde de expansie aanzienlijk (buigpunt in grafiek)
Verste geobserveerde supernova toont dat na een vertragende expansie de expansie juist was versneld
Donkere Energie Donkere energie neemt toe. Vacuüm energie neemt toe als volume vacuüm
toeneemt. Expansie heelal leidt tot meer volume en dus meer vacuüm energie.
Gravitatie neemt af. De hoeveelheid materie (zichtbaar en donker) blijft gelijk of neemt af en moet zich verdelen in een groter wordend heelal. Door de grotere afstanden neemt de gravitatie af.
Donkere energie wint het dus van (donkere) materie.
De expansie van het heelal zal dus blijven versnellen, tenzij…..
Donkere Energie Hubble observaties: In het vroege heelal domineerde gravitatie en vertraagde de door de oerknal veroorzaakte expansie. Sinds 5 miljard jaar domineert donkere energie (die al veel langer aanwezig was) en zorgt voor een continu versnelde expansie. Donkere energie wint het dus van donkere materie
Donkere energie: Toekomst van het heelal
Vacuüm Energy: Continue acceleratie expansie heelal. Over 100 miljard jaar zijn alleen die stelsels zichtbaar die nu op minder dan een paar miljoen lichtjaar staan. Expansie kan verlopen conform Vacuüm Energy of zelfs asymptotische toename versnelling wat leidt tot het uiteenrijten van sterrenstelsel clusters en sterrenstelsels, zonnestelsels en mogelijk zelfs atomen.
Donkere Energie Er is een probleem: Donkere energie is weliswaar op te vatten als een vacuüm energie in de quantum mechanica
Volgens het onzekerheidsprincipe van Heisenberg
verschijnen zelfs in het absolute vacuüm spontaan deeltjes en antideeljes die later weer annihileren (waarbij 2 fotonen vrijkomen)
maar vacuüm energie volgens de quantum
mechanica levert 10120-10140 keer zoveel energie als de waargenomen donkere energie.
Donkere Energie Kernvraag: Is Donkere Energie de kosmologische constante of iets ‘exotisch’
nauwkeuriger metingen benodigd.
Sophisticated Next Generation Experiments: Planck satelliet (2009) met metingen van achtergrondstraling
Dark energy Space Telescope (2014) Dark energy probe Euclid ESA (2019) Advanced Dark Energy Physics Telescope (2014) Gravitational Lensing Oscillaties in massaverdeling galaxies vergelijken met cosmic microwave background
Doel: In 10 jaar van 10% naar 2% nauwkeurigheid
Donkere energie: Alternatieve verklaringen
Alternatieve verklaring (Aanpassing gravitatie theorie die op grote afstanden juist afstotend zou werken) is 19-5-2011 uitgesloten.
Op basis van metingen aan de onderlinge geometrie van 200.000
sterrenstelsels is gebleken dat donkere energie overal constant is. Deze metingen bevestigen de metingen gedaan op basis van type 1A supernova’s.
Ook de theorie waarin de vacuüm energie niet overal hetzelfde is is uitgesloten.
Clusters trekken nieuwe sterrenstelsels aan met gravitatie maar verwijderen van elkaar door donkere energie.
Heelal expandeert op grote afstand inmiddels met een snelheid ver boven de lichtsnelheid. Wij kunnen echter niet verder terugkijken dan 13,7 miljard jaar!!
Donkere energie: Nieuwe ontwikkelingen
Licht dat grote concentraties materie passeert wordt afgebogen waardoor die materie werkt als een grote gravitatielens en wij verre sterrenstelsels kunnen waarnemen.
Maar de beelden van de waargenomen verre sterrenstelsels lijken opgerekt. Deze oprekking (weak gravitational lensing) lijkt een verstoring maar bevat in feite informatie over dichtheid en verdeling van donkere materie. Door te kijken naar de veranderingen in het kosmische web, waarlangs zichtbare materie zich heeft gegroepeerd, kan een afdruk van donkere energie worden verkregen. • •
Tot nu toe keek men hiervoor naar supernova’s type 1A maar dit gaf alleen inzicht in hoe de expansiesnelheid in de tijd is veranderd. De verstoringen door waek lensing geeft informatie over de invloed van gravitatie in veraf gelegen lokale gebieden. • Hiermee kan dus uitsluitsel worden gegeven of gravitatie in verschillende veraf gelegen gebieden anders werkt • Hiervoor moeten dan wel miljoenen sterrenstelsels op de voet worden gevolgd
Op 28-8-2012 werd de Hyper suprime-cam op de 8,2m Subaru telescoop op Hawaï in gebruik genomen. In 2018 kan men hiermee 10 miljoen sterrenstelsels nauwkeurig in kaart hebben gebracht
In september 2012 is de Dark energy Survey in Chili in gebruik genomen. Hiermee worden tot 2018 300 miljoen sterrenstelsels in kaart gebracht, maar deze telescoop kan minder ver in het heelal kijken.
Dark flow Introductie
Clusters van sterrenstelsels blijken naar één punt toe te bewegen.
Deze afbuiging is in aanvulling op de versnelde expansie.
Dark Flow Ontdekt door fluctuaties in kosmische achtergrond
straling (afwijkingen van 1/1000 graad t.o.v. De standaard temperatuur van 2,7o) Temperatuurfluctuaties zijn gekoppeld aan een aantal clusters van sterrenstelsels. Deze clusters bewegen dus ten opzichte van de rest van het heelal Daarom is deze beweging dus onafhankelijk van de expansie
Deze beweging kan niet worden verklaard adv massaverdeling in het heelal
Dark Flow Deze mysterieuze beweging is ontdekt in 2008 m.b.v. 3
jaar waarnemingen met WMAP satelliet van clusters tot 300 Mpc
Vervolgwaarnemingen tot 800 Mpc bevestigen in 2010 de mysterieuze beweging van clusters.
De beweging is in de richting van een 200 sector tussen Centaurus en Vela met een snelheid van 600-1000km/ sec.
Deze bewegingen komen overeen met de al in 1973
ontdekte ‘great attractor’ een onverklaarde gravitatie die overeenkomt met tienduizenden melkwegstelsels in de buurt van Centaurus.
Dark flow Geobserveerde beweging is gevolg van het
allereerste begin van het heelal. De metingen betreffen de invloed van delen van de ruimte-tijd vóór de inflatie van het heelal
Inflatie theorie stelt: Tijdens de eerste 10-36 sec ontstond een kosmisch
badschuim met talloze bubbels Na 10-36 sec vond in één van die bubbels inflatie plaats met expansie sneller dan de lichtsnelheid wat resulteerde in het heelal dat we nu kennen. Tussen 10-36 en 10-32 verdubbelde de omvang van de ruimte 100.000 keer! Volgens Alexander Kashlinsky worden de clusters aangetrokken door aangrenzende bubbels
De voorlopige conclusie lijkt dus dat iets heel groots buiten het heelal aan onze clusters trekt.
Dark Flow Maar als dark flow een gevolg is van een ruimte-tijd
invloed van voor de inflatie kan het ook worden veroorzaakt door materie in ons heelal maar buiten de ‘zichtafstand’ omdat de fotonen ons nooit zullen bereiken.
De geobserveerde beweging komt overeen met wat
op grond van de snaartheorie kan worden verwacht bij aangrenzende universums
Als alle clusters worden aangetrokken moet dus
buiten ons zichtbare heelal meer materie aanwezig zijn dan in ons zichtbare heelal.
Afsluiting • Er is afgelopen 50 jaar heel veel ontdekt, • Maar vooral is ontdekt wat we allemaal (nog)niet weten!
• Daarom spreken we over Donkere Materie, Donkere Energie en Dark Flow. Donkere mysteries dus!
• De donkere mysteries van het heelal blijven voorlopig nog donker, aardedonker…..
Afsluiting
