Categorieën
Astronomie Het Heelal

Hoe oud licht de inhoud van het heelal onthult.

Een foto van de jonge kosmos onthult de precieze hoeveelheden donkere materie en donkere energie in het universum, waardoor er weinig ruimte is voor discussie.

Stel je de aarde voor in het midden van de bol. Kosmische microgolven die vanuit elke richting aan de hemel naar ons toe komen, vormen een momentopname van het jonge universum, dat gevuld was met een gestolde vloeistof gemaakt van donkere en zichtbareBegin 2003 leerde Chuck Bennett de precieze inhoud van de kosmos kennen.

Tegen die tijd hadden de meeste kosmologen geconcludeerd dat het universum veel meer bevat dan op het eerste gezicht lijkt. Waarnemingen van rondvliegende sterrenstelsels suggereerden dat steigers van onzichtbare materie hun sterren bij elkaar hielden, terwijl een afstotende vorm van energie sterrenstelsels uit elkaar dreef. Om meer te weten te komen, hadden Bennett en zijn Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) -team een jaar lang microgolven verzameld die uit alle richtingen aan de hemel kwamen – lichtstralen die lang geleden hun bron verlieten, toen het universum nog maar 380.000 jaar oud was. Door deze foto van de jonge kosmos te maken, kon het WMAP-team zijn leeftijd en vorm vastleggen en precies bepalen hoeveel zogenaamde donkere materie en donkere energie het bevat. materie.

Plots hadden we deze lijst met getallen ”, herinnert Bennett zich, een astrofysicus aan de Johns Hopkins University.

Het team maakte in februari 2003 hun eerste resultaten bekend. Hun kaart van de ‘kosmische microgolfachtergrond’ (CMB), die ze in de daaropvolgende jaren verfijnden, gaf aan dat de bekende materie van planeten, gas en sterren slechts 4,6% van de kosmos uitmaakt, terwijl onzichtbare donkere materie 24% uitmaakt. De resterende 71,4% van het kosmische cirkeldiagram moest donkere energie zijn, waarvan wordt gedacht dat het de structuur van de ruimte zelf doordringt. De cijfers veranderden slechts een klein beetje toen de opvolger van WMAP, de Planck-satelliet, 10 jaar later een nog scherper beeld van de CMB nam. En terwijl andere bewijzen van donkere energie en donkere materie nog steeds worden betwist, zijn hun vingerafdrukken in de CMB vrijwel onbetwist gebleven.

De CMB is “absoluut een van de, zo niet de belangrijkste, pijlers van de moderne kosmologie”, zei Yacine Ali-Haïmoud, een astrofysicus aan de New York University.

Hier is hoe het universum zo’n veelzeggende boodschap in de kosmische microgolfachtergrond krabbelde, en hoe onderzoekers het leerden lezen.

In het begin, voordat de microgolven hun bron verlieten, was het universum een bijna kleurloze vloeistof gemaakt van donkere en zichtbare materie. Deze oersubstantie scheen ooit witgloeiend en vervolgens afgekoeld tot een lichtoranje over de eerste paar honderdduizend jaar van het universum. Lichtstralen kunnen niet ver reizen voordat ze van naburige deeltjes afketsen. Dit verstrooide licht hield de vloeistof mistig en onder druk.

Maar de zaden van de huidige sterren en planeten waren al gezaaid. Niets in de natuur is perfect, en de gladde oersoep was ooit zo licht gestold, met sommige gebieden ongeveer een duizendste van een procent dichter dan de omringende vloeistof, en sommige zo veel dunner.

De vloeistof klotste toen de zwaartekracht materie samen trok en lichtgolven het uit elkaar duwden. Dit touwtrekken verdunde dichte plekken terwijl overtollige materie naar buiten stroomde en verdikte dunne plekken terwijl materiaal naar binnen snelde. Als een gebied te dun werd, kwamen er weer deeltjes naar binnen en vice versa, zodat elke klodder heen en weer zwaaide tussen hoge en lage dichtheid. Gelukkig hebben natuurkundigen alle theoretische hulpmiddelen die ze nodig hebben om dergelijke golvingen van een eenvoudige vloeistof bij een redelijke temperatuur te analyseren. “De fysica is echt behoorlijk oud,” zei Ali-Haïmoud.

De CMB vangt de klotsende vloeistof op een bepaald moment op. Na ongeveer 380.000 jaar te zijn uitgebreid, koelde de kosmos voldoende af om protonen en elektronen te laten paren tot waterstofatomen, een gebeurtenis die recombinatie wordt genoemd. Met weinig geladen deeltjes om tegenaan te knallen, werden lichtbundels plotseling vrij, waardoor de druk werd opgeheven en de dichtheidsblobs op hun plaats werden bevroren. Sindsdien heeft het uitdijende heelal de golflengten van de vrijgekomen lichtstralen uitgerekt tot microgolven. Door ze van over de hele hemel te verzamelen, vingen de WMAP- en Planck-telescopen het vroege universum en de inhoud ervan midden in de lucht. Hun kaarten laten een vlekkerig patroon zien van dichtere en dunnere plekken, aangegeven door microgolven die een fractie van een graad warmer of koeler zijn (net zoals blauw een heter vlam aangeeft dan geel).

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine; source: DOI: 1303.5076v3

De sleutel tot het ontcijferen van de rommelige rimpelingen van de CMB is dat recombinatie een selecte reeks blobs een blijvende kosmische betekenis verleende. Beschouw eens een dikke klodder oermaterie die net groot genoeg is om 380.000 jaar nodig te hebben om volledig uit te dunnen, op welk punt recombinatie het als een eeuwige dunne vlek bevroor. Grotere plekken hadden geen tijd om volledig te verdunnen en kleinere plekken zouden weer dikker worden. Een bepaalde set kleinere klodders had genoeg tijd om van piekdikte naar piekdikte terug naar piekdikte te gaan. Nog een andere set van nog kleinere spots voltooide precies drie overgangen, en andere vier.

Onderzoekers analyseren de overlappende statische gegevens van de CMB door de kaart in verschillende mate te vervagen en de densiteitsvariaties die ze zien uit te zetten. De resulterende plot, het CMB-vermogensspectrum genoemd, heeft een reeks pieken die de grootte weergeven van de speciale blobs die de maximale dikte of dunheid bereikten op het moment van recombinatie. Als het universum zich anders had ontwikkeld of een ander kosmisch mengsel had bevat, zou een ander tonaal patroon zijn bevroren bij recombinatie, een patroon dat wetenschappers van elkaar konden onderscheiden net zoals het oor onderscheid kan maken tussen een piano en een klarinet, zei Scott Dodelson, een kosmoloog bij Carnegie Mellon. Universiteit.

De grootste vlekken beslaan 1 hoekgraad aan de moderne hemel, ongeveer tweemaal de breedte van de volle maan. Hieruit kunnen kosmologen de vorm van het universum afleiden – of de ruimte nu vlak is, zodat parallelle lichtstralen parallel blijven, of gekromd als een zadel of een bol. Materie en energiecurve-ruimte, een effect dat we ervaren als zwaartekracht. De uitdijing van het universum maakt ondertussen de ruimte vlakker, en een tijdlang wisten kosmologen niet zeker of de ene kant aan het winnen was. Verschillende krommingen zouden ervoor zorgen dat de grootste klodders groter of kleiner lijken in de CMB (denk aan hoe de schijnbare afmetingen van Afrika en Groenland worden vervormd als we de ronde wereldbol plat maken), maar de grootte van 1 graad van de grootste klodders komt overeen met de verwachtingen voor een platte universum. WMAP vond een universum met voldoende inhoud om lichtstralen tot op 0,4% nauwkeurig te laten vliegen.

Kleinere klodders onthullen de compositie van de kosmos. Hun afmetingen, en hoe dik of dun ze werden, hingen af van de ingrediënten van de vloeistof, net zoals mosselvissoep anders spetterde dan kippensoep. In de oervloeistof voelde donkere materie de aantrekkingskracht van de zwaartekracht, maar niet de elektromagnetische druk van lichtstralen. Normale zaken reageerden op beide. Tesla Jeltema, een kosmoloog aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz, legde uit dat onderzoekers deze twee vloeistofcomponenten kunnen onderscheiden door de intensiteit te vergelijken waarmee klodders van verschillende grootte naar binnen en naar buiten klotsen – de relatieve hoogten van de pieken in het vermogensspectrum.

Niemand heeft donkere materiedeeltjes geïdentificeerd, maar de CMB onthult het grootschalige gedrag van de ongrijpbare substantie. Ali-Haïmoud vergelijkt de situatie met premoderne wetenschappers die drijfvermogen en druk begrijpen, zelfs zonder te weten dat de chemische formule voor water H2O was. Elke poging om de schijnbare invloed van donkere materie weg te redeneren, bijvoorbeeld door de zwaartekrachtwetten aan te passen, zal moeten passen bij de specifieke pulsaties van de oervloeistof. Geen enkel model is de uitdaging nog aangegaan.

Donkere energie speelde ondertussen een verwaarloosbare rol in de jeugd van het universum. Zijn aanwezigheid kan worden afgeleid uit de indicatie van de CMB dat het universum vandaag plat is. De gemeten hoeveelheden donkere en zichtbare materie hebben gewoon niet de kracht om de ruimte af te vlakken. Maar voeg 71,4% donkere energie toe aan het moderne universum, en alles is in evenwicht.

Deze foto is niet perfect, aangezien recente astronomische waarnemingen hebben gesuggereerd dat het universum van vandaag zich sneller uitbreidt dan het CMB-recept suggereert dat het zou moeten zijn. Maar WMAP- en Planck-gegevens hebben een hoge lat gelegd voor theoretici die op zoek zijn naar alternatieve, niet-donkere verklaringen voor de bewegingen van sterren en sterrenstelsels. “Nu we deze gedetailleerde kaarten hebben,” zei Dodelson, “is de CMB op zichzelf verdomd goed in het verkrijgen van bijna alles.”


Gerelateerd:

  1. Top Dark Matter Candidate Loses Ground to Tiniest Competitor
  2. No Dark Energy? No Chance, Cosmologists Contend
  3. Scientists Unveil New Inventory of Universe’s Dark Contents
  4. Why the Best Place to Find Dark Matter May Be in a Rock

Charlie Wood, contribute editor

— Lees op Quanta Magazine

* Martin Knops: In het originele Engelse artikel staat een mooie animatie. Dus kijk ook naar het originele artikel.


Geef een reactie

Vul je gegevens in of klik op een icoon om in te loggen.

WordPress.com logo

Je reageert onder je WordPress.com account. Log uit /  Bijwerken )

Google photo

Je reageert onder je Google account. Log uit /  Bijwerken )

Twitter-afbeelding

Je reageert onder je Twitter account. Log uit /  Bijwerken )

Facebook foto

Je reageert onder je Facebook account. Log uit /  Bijwerken )

Verbinden met %s

Deze site gebruikt Akismet om spam te bestrijden. Ontdek hoe de data van je reactie verwerkt wordt.