Het heelal breidt zich uit en die uitdijing versnelt. Maar waardoor komt dat? De leidende hypothese is een afstotende kracht die astrofysici 'donkere energie' noemen, die alles wegduwt van al het andere. Dus hoe werkt het? Wat betekent het voor onze toekomst? En hoe zeker zijn we dat het bestaat?

Het 'donker' in de naam betekent niet dat het letterlijk donker is. Het is meer een tijdelijke aanduiding die aangeeft dat we er echt niet veel van weten, in dezelfde geest als het even mysterieuze donkere materie. Het belangrijkste dat we weten is dat deze energie op de een of andere manier de uitdijing van het universum versnelt.

De exacte aard van donkere energie blijft onbekend, maar er zijn een paar kenmerken die het zou moeten hebben om de waarnemingen te verklaren. Donkere energie zou een extreem lage dichtheid hebben, gelijkmatig over de hele ruimte worden verspreid en een sterke negatieve druk uitstralen die alles effectief wegduwt.

Hoewel het bijna onmogelijk is om direct te detecteren, hebben natuurkundigen een paar redenen om te vermoeden dat donkere energie bestaat. Metingen van de kosmische microgolfachtergrond en waarnemingen van de grootschalige structuur van het heelal geven beide aan dat materie – zowel regulier als donker samen – slechts ongeveer 30 procent van de inhoud van het heelal kan uitmaken. Een andere vorm van energie moet de resterende 70 procent uitmaken.

Dit is verfijnd tot wat bekend staat als het lambda-koude donkere materie (ΛCDM) -model van de kosmologie, dat momenteel door natuurkundigen de voorkeur geniet als het eenvoudigste model van het universum dat het beste past bij waarnemingen. Het stelt dat donkere energie ongeveer 68 procent van het totale massa-energiebudget van het universum uitmaakt, donkere materie 27 procent en normale materie de resterende vijf procent.

Maar als donkere energie zo moeilijk te bestuderen is, hoe kwamen we er dan in de eerste plaats op terecht?

Donkere geschiedenis

Nobel Foundation / Public Domain

Het concept van donkere energie is terug te voeren op niemand minder dan Albert Einstein – hoewel hij het destijds niet herkende. In 1917, terwijl hij aan zijn algemene relativiteitstheorie werkte, stuitte Einstein op een probleem: zijn vergelijkingen suggereerden steeds dat het universum dynamisch was, wat indruiste tegen de toenmalige opvatting dat het universum statisch moest zijn.

Om zijn model te laten passen bij hedendaagse overtuigingen, gooide Einstein een nieuw getal in dat hij de 'kosmologische constante' noemde. Dit werkte om een ​​statisch universum te stabiliseren door te zeggen dat lege ruimte zelf een intrinsieke energie heeft, die negatieve druk uitoefent die naar buiten duwt, perfect balancerend tegen de innerlijke aantrekkingskracht van de zwaartekracht.

Maar het idee hield geen stand. In 1929 ontdekte Edwin Hubble dat hoe verder een sterrenstelsel van ons is verwijderd, hoe sneller het van ons af beweegt - een duidelijke aanwijzing dat het heelal uitdijt. Einstein zou verder gaan met te zeggen dat zijn "grootste blunder" zijn weigering was om te accepteren wat zijn eigen gegevens hem vertelden over het feit dat het universum dynamisch is.

Nu het zich uitbreidende universum een ​​geaccepteerde wetenschap werd, negeerden natuurkundigen het idee van de kosmologische constante grotendeels voor de komende 70 jaar of zo. Maar het concept werd in 1998 weer relevant, met de baanbrekende ontdekking dat deze uitbreiding versnelt.

Uitbreiding versnelt

NASA / CXC / U.Texas

Terwijl lichtgolven door de ruimte reizen, strekt de uitbreiding van het universum ze uit. Dat betekent dat hun golflengten langer worden, waardoor de kleur van dit licht verandert om meer rood te lijken - een fenomeen dat bekend staat als roodverschuiving. En aan het eind van de jaren negentig gebruikten twee afzonderlijke groepen dit effect om de snelheid waarmee het heelal uitdijt. In wezen onthult de roodverschuiving van een object hoeveel het universum is uitgebreid sinds het licht het object heeft verlaten.

Beide groepen bestudeerden supernovae van het type Ia, uiterst betrouwbare lichtbronnen die elke keer bijna exact dezelfde helderheid hebben. Als zodanig worden ze vaak 'standaardkaarsen' genoemd en astronomen gebruiken ze om afstanden tot objecten te berekenen door hun schijnbare helderheid aan de hemel te meten. De astronomen vergeleken vervolgens de afstand en roodverschuiving van deze supernova's om hun recessiesnelheid te meten - hoe snel ze van ons weg bewegen.

De wetenschappers verwachtten de leidende hypothese van die tijd te bevestigen - dat de zwaartekracht de uitdijing van het universum zou vertragen, dus dingen die verder van ons af zouden staan, zouden langzamer terugwijken dan dichterbij gelegen objecten. Maar tot hun volledige verbazing ontdekten ze precies het tegenovergestelde. De vondst is sindsdien ondersteund door vele onafhankelijke onderzoeken.

Voor het volledig veranderen van het gezicht van de astrofysica kregen drie wetenschappers van de twee teams - Saul Perlmutter, Brian Schmidt en Adam Riess - de onderscheiding 2011 Nobelprijs voor natuurkunde.

Donkere energie modellen

Dus het bewijs wijst in de richting van iets waardoor het universum in een steeds sneller tempo uitdijt. Maar wat eigenlijk? is donkere energie? Astrofysici hebben een reeks mogelijke modellen voorgesteld die het fenomeen zouden kunnen verklaren.

De eerste en verreweg eenvoudigste verklaring is: De kosmologische constante van Einstein. Het idee raakte uit de gratie na de ontdekking dat het universum aan het uitbreiden was, en decennia lang kreeg het een waarde van nul om het uit de weg te ruimen - maar als het een niet-nulwaarde krijgt, kan het in feite een verklaring zijn voor een versnellende expansie.

Tegenwoordig wordt de kosmologische constante vaak vacuümenergie genoemd. Het wordt aangedreven door een bizarre cyclus waarin kwantumfluctuaties paren 'virtuele' deeltjes en antideeltjes produceren die spontaan uit het niets ontstaan. Ze duren echter maar heel kort, voordat ze elkaar in een uitbarsting van energie vernietigen. En het is deze energie die op de ruimte zelf duwt, waardoor het universum steeds sneller uitdijt.

Een ander model suggereert dat deze energie niet "constant" hoeft te zijn in de tijd - dat is de essentie van kwintessens, die is voorgesteld als een vijfde fundamentele kracht en donkere energiekandidaat. Quintessence zou in verschillende perioden een aantrekkende of afstotende kracht kunnen zijn, maar modellen suggereren dat het ongeveer 10 miljard jaar geleden weerzinwekkend zou zijn geworden, waardoor de versnelde expansie die we vandaag zien, wordt aangedreven.

Andere modellen proberen zowel donkere energie als donkere materie te verklaren met één allesomvattende hypothese. In een recente studie stellen natuurkundigen voor dat donkere materie kan bestaan ​​uit meerdere soorten deeltjes - er zijn tenslotte veel soorten gewone materie. Als er donkere materie gebeurt verval in lichtere deeltjes, zou de aantrekkingskracht ervan in de loop van de tijd afnemen, waardoor de greep op de uitdijing van het heelal zou afnemen en het zou kunnen versnellen.

In een andere simulatie simuleerden wetenschappers wat er zou gebeuren als donkere materie wat zou hebben afstotende magnetische eigenschappen. En inderdaad, de uitdijing van het universum versnelde op een vergelijkbare manier als wat we vandaag zien, wat suggereert dat donkere energie een symptoom kan zijn van donkere materie.

Andere wetenschappers suggereren dat beide fenomenen worden veroorzaakt door een "donkere vloeistof”Dat het universum vult. Deze vloeistof zou een negatieve massa hebben, wat betekent dat de zwaartekracht in wezen omgekeerd werkt en andere massa's afstoot. Dat verklaart niet alleen de versnelde uitdijing van het heelal (donkere energie), maar het betekent ook dat sterrenstelsels bij elkaar zouden worden gehouden door een "duwende" kracht van buitenaf, in plaats van door de trekkende kracht van klonten donkere materie in hun centrum.

Universiteit van Hawaï

Een andere randhypothese stelt het idee voor van: objecten gemaakt van donkere energie zelf. Deze algemene objecten van donkere energie (GEODE's) zouden veel op zwarte gaten lijken, behalve dat ze afstoten in plaats van aantrekken. Ze zouden migreren naar kosmische leegten, weg van de meeste materie, en als ze heel snel ronddraaien, zouden ze elkaar afstoten met zo'n kracht dat ze de uitdijing van het universum versnellen.

Maar het probleem met bijna al deze hypothesen is dat zodra je aanpassingen gaat maken aan het ΛCDM-model, andere implicaties de hele zaak dreigen te ontrafelen. Dus het roept de vraag op: zijn onze modellen verkeerd? Bestaat donkere energie überhaupt? Of is het gewoon een kosmische misrekening?

Alternatieven

Als hypothese is donkere energie nogal ad hoc – het vult een leemte in ons begrip op, maar roept tegelijkertijd meer vragen op. Het is dan ook niet verwonderlijk dat veel wetenschappers twijfel aan de geldigheid ervan, en alternatieve verklaringen voor de versnelling voorstellen - of alleen de schijn van versnelling.

Wedden tegen Einstein is vaak een dwaas spel, maar misschien zijn zijn vergelijkingen in dit geval niet helemaal correct. Sommige astrofysici stellen voor dat: het wijzigen van onze zwaartekrachttheorie zou het gat verwijderen waarvoor donkere energie was uitgevonden om te vullen.

Drie van de vier fundamentele krachten van het universum werken via 'drager'-deeltjes, dus het is niet moeilijk om te voorspellen dat de vierde ook zijn eigen deeltje heeft. De laatste kracht is de zwaartekracht, en het hypothetische dragerdeeltje ervan wordt het 'graviton' genoemd. Als het graviton bestaat en een massa heeft, kan het de manier veranderen waarop de algemene relativiteitstheorie werkt op enorme kosmische schalen, waardoor de uitdijing versnelt.

Anderen suggereren dat de algemene relativiteitstheorie oversimplificeert dingen, en het is via deze snelkoppelingen dat de behoefte aan donkere energie ontstaat. Verschillende dichtheden van materie in het universum zouden de ruimtetijd in verschillende richtingen moeten buigen - sterrenstelsels en clusters zouden het op de ene manier moeten buigen, en leegten zouden het in de andere moeten buigen. Dat zou licht van verre objecten kunnen vervormen en onze metingen van hun leeftijd of afstand kunnen verstoren, waardoor de indruk ontstaat van een versnellende uitdijing.

Een variatie op dat idee, genaamd timescape kosmologie, suggereert dat deze kromming ook de snelheid zou veranderen waarmee de tijd verstrijkt met maar liefst 38 procent tussen verschillende dichtheden. Dus de supernova's die de oorspronkelijke astronomen met donkere energie zagen, keken verder weg dan ze in werkelijkheid zijn, omdat de tijd binnen onze gezichtslijn met verschillende snelheden voorbijgaat.

Een andere theorie beschrijft: "Tardis"-regio's van ruimtetijd die, zoals de naamgenoot-tijdmachine, van binnen groter zijn dan van buitenaf. Dat wordt veroorzaakt door verschillende uitbreidingssnelheden in verschillende delen van het universum. Nogmaals, licht van verre objecten zou zich verder uitstrekken als het door deze Tardis-regio's gaat - en omdat het licht er meer doorheen gaat als de bron verder weg is, wekt dat de indruk dat de expansie met de tijd versnelt.

Hoe intrigerend deze ideeën ook mogen zijn, er is nog geen alternatieve hypothese die alles zo netjes kan verklaren als donkere energie, dus het wordt over het algemeen beschouwd als de beste verklaring die we hebben - ondanks dat het zo moeilijk is om vast te pinnen.

Dus als het universum in een versneld tempo uitdijt, wat betekent dat dan voor het uiteindelijke lot van alles? Er zijn een paar mogelijkheden.

Donkere toekomst

Door de verschillende theorieën over donkere energie in de toekomst te projecteren, zou het universum een ​​passend donker einde kunnen krijgen.

Als de uitdijing blijft versnellen, zouden uiteindelijk alle sterrenstelsels aan de hemel uit het zicht verdwijnen. Dat komt omdat ze op een bepaald moment sneller van ons weg zouden bewegen dan het licht dat ze uitstralen naar ons toe, zodat dit licht ons nooit, maar dan ook nooit zou kunnen bereiken.

Donkere energie zou het universum uit elkaar blijven duwen lang nadat elke laatste ster is ingestort tot een zwart gat en elk laatste zwart gat is verdampt tot niets. Uiteindelijk zouden alle deeltjes zo ver uit elkaar worden verspreid dat ze elkaar zelden zouden ontmoeten. Het universum zou afkoelen totdat het absoluut geen thermodynamische vrije energie meer heeft. Dit staat bekend als de Big Freeze.

Verschillende modellen hebben verschillende eindes. "Spookenergie" is een variatie op de kwintessens, waarbij de dichtheid daadwerkelijk toeneemt naarmate het universum uitdijt (in tegenstelling tot de meeste modellen van donkere energie waarbij de dichtheid constant blijft). Dat betekent dat deze fantoomenergie uiteindelijk alle andere fundamentele krachten in de natuurkunde zal overweldigen.

In dit scenario zou de zwaartekracht op een gegeven moment te zwak worden om sterrenstelsels bij elkaar te houden. Een paar dozijn miljoen jaar later beginnen de sterke en zwakke kernkrachten te falen, sterren en planeten uit elkaar te scheuren, en dan zelf de atomen. Ten slotte zal zelfs het weefsel van de ruimtetijd uit elkaar scheuren, in een einde dat toepasselijk de Big Rip wordt genoemd.

Of, als donkere energie niet constant is in de tijd, is er een kans dat de zwaartekracht in de verre toekomst de touwtrekken kan winnen en alles weer bij elkaar kan brengen. Gedurende miljarden jaren zou het universum samentrekken totdat het een punt van oneindige dichtheid bereikt, zoals een omgekeerde oerknal. Dit scenario wordt de Big Crunch genoemd.

Of misschien is dat niet het einde maar een nieuw begin, terwijl een ander universum uit de as explodeert in een zogenaamde Big Bounce.

Experimentele bevestiging

DESI-samenwerking

Gezien hoe ongrijpbaar donkere energie is, hoe zouden we het dan ooit direct kunnen detecteren? Een paar experimenten hebben geprobeerd bewijs te vinden van donkere energie aan het werk door middel van een vijfde fundamentele kracht.

One het idee getest dat de invloed van donkere energie sterker is in een vacuüm. Wetenschappers in het VK plaatsten een metalen knikker in een vacuümkamer en lieten er atomen omheen vallen. Als er een vijfde kracht in het spel was tussen de twee gewichten, dan zou het pad van het atoom op zijn weg naar beneden enigszins moeten buigen.

In een andere studie onderzochten wetenschappers van CERN het bestaan ​​van "kameleon" deeltjes, een kandidaat voor donkere energie die verschillende massa's en zwaartekrachtsinvloed zou hebben op basis van hoeveel materie er om hen heen was. Het team bestudeerde een spiegel, gemaakt om gevoelig te zijn voor de deeltjes als ze bestaan, voor extreem kleine bewegingen die ze zouden kunnen veroorzaken.

In alle experimenten tot nu toe zijn wetenschappers leeggelopen. Dat zou bepaalde massa's donkere energiedeeltjes of interacties van de kracht kunnen uitsluiten - of het zou kunnen betekenen dat we op het volledig verkeerde spoor zitten.

Donkere energie zal waarschijnlijk nog geruime tijd een van de diepste mysteries van de kosmologie blijven, maar misschien hebben we binnenkort nieuwe aanwijzingen. De Onderzoek naar donkere energie scant de lucht sinds 2013, terwijl de Spectroscopisch instrument voor donkere energie (DESI) heeft zich er onlangs bij aangesloten. Die, evenals andere zoals de Sloan Digital Sky Survey, zullen helpen bij de productie 3D-kaarten van de kosmos om de fysica van donkere energie te onderzoeken.

Wetenschappers zullen ongetwijfeld doorgaan met onderzoeken en proberen bewijs te vinden van donkere energie in actie, of misschien zal er een geheel nieuwe theorie ontstaan ​​die de noodzaak ervan volledig uitwist. Hoe het ook uitpakt, het is een fascinerend gebied om naar te kijken.

Coinsmart. Beste Bitcoin-beurs in Europa
Bron: https://newatlas.com/physics/what-is-dark-energy-explained-accelerating-expansion-universe/