Giz Vraagt
Wat is er aan de Rand van het Heelal?
Illustratie: Chelsea Beck (Gizmodo)
Daniel KolitzToday 9:00amFiled: spaceFiled: ruimte
- natuurkunde
- het heelal
- kosmologie
595
- Ga naar permalink
Giz AsksIn dit Gizmodo serie, we vragen stellen over alles vanuit de ruimte naar konten en antwoorden te krijgen van een verscheidenheid van deskundigen.
Het is een routine emotie in 2019 dringend wensen, vier of vijf keer op een dag, om te worden gelanceerd, niet gewoon in de ruimte, maar aan de rand van het universum, voorzover het mogelijk is om van de koorts droom van slecht weer, kapotte treinen en mogelijk kanker dij laesies die deel uitmaken van het leven op Aarde. Maar wat zou voor u klaar, tot aan de kosmologische grens? Is het ook een grens, of is wat we hier te maken met meer als een soort van onvoorstelbaar grote plafond? Is er ook een grens/plafond tot er? Voor deze week is Giz Vraagt, hebben we gesproken met een aantal van de kosmologie-georiënteerde natuurkundigen om uit te vinden.
Sean Carroll
Research Professor, Natuurkunde, Caltech, waarvan het onderzoek richt zich op de kwantummechanica, de zwaartekracht, de kosmologie, de statistische mechanica en de fundamenten van de natuurkunde, onder andere
Er is geen rand om het heelal, voor zover wij weten. Er is een rand van het waarneembare heelal, maar zie het zo ver. Dat komt omdat licht zich met een eindige snelheid (een lichtjaar per jaar), dus als we kijken naar de verre dingen die we zijn ook op zoek achterwaarts in de tijd. Uiteindelijk zien we wat er gebeurde bijna 14 miljard jaar geleden, het overblijfsel van de straling van de Big Bang. Dat is de Kosmische Microgolf Achtergrond, die ons omringt van alle kanten. Maar het is niet echt een fysieke “edge” in een nuttig gevoel.
Omdat we alleen maar kunnen zien zo ver, we zijn niet zeker wat de dingen zijn zoals buiten ons waarneembare heelal. Het heelal dat we wel zien is vrij uniform, op grote schaal, en misschien is dat maar blijft letterlijk voor eeuwig. U kunt de universe kan wrap rond als een (drie-dimensionale versie van een) kogel of torus. Als dat waar was, zou het heelal zijn eindige in totale omvang, maar nog steeds niet zou hebben een streepje voor, net als een cirkel geen begin of einde.
Het is ook mogelijk dat het heelal niet uniform verleden wat we kunnen zien, en de voorwaarden zijn erg verschilt van plaats tot plaats. Die mogelijkheid is de kosmologische multiversum. We weten niet of er sprake is van een multiversum in deze zin, maar aangezien we niet kunnen zien de een of andere manier, het is verstandig om een open geest te houden.
“Omdat we alleen maar kunnen zien zo ver, we zijn niet zeker wat de dingen zijn zoals buiten ons waarneembare heelal. Het heelal dat we wel zien is vrij uniform, op grote schaal, en misschien is dat maar blijft letterlijk voor eeuwig.”
Jo Dunkley
Professor, Natuurkunde en Astrofysische Wetenschappen, Universiteit van Princeton, van wie het onderzoek is in de kosmologie en het bestuderen van de oorsprong en evolutie van het Heelal
Meer van hetzelfde!
Oke, dus we hoeven eigenlijk niet denk dat er een rand van het heelal. We denken dat het ofwel blijft op oneindig ver in alle richtingen, of misschien is verpakt op zich, zodat het niet oneindig groot, maar heeft nog steeds geen randen. Het oppervlak van een donut is als volgt: het niet hebben van een rand. Het is mogelijk het hele universum is zoals dat ook (maar in drie dimensies—het oppervlak van een donut is slechts twee-dimensionaal). Dat betekent dus dat u in een willekeurige richting in de ruimte op een raket schip, en als je reisde lang genoeg zou je terug komen naar waar je begon. Geen randen.
Maar er is ook een ding noemen we het waarneembare heelal, dat is het deel van de ruimte dat we het echt kunnen zien. De rand van de plaats, met daarachter het licht nog niet de tijd gehad om ons te bereiken sinds het begin van het universum. Dat is alleen de rand van wat we kunnen zien, en buiten dat is waarschijnlijk meer van de dingen die we om ons heen zien: de super-clusters van sterrenstelsels, elk enorme galaxy met miljarden sterren en planeten.
“We denken dat het ofwel blijft op oneindig ver in alle richtingen, of misschien is verpakt op zich, zodat het niet oneindig groot, maar heeft nog steeds geen randen. Het oppervlak van een donut is als volgt: het niet hebben van een rand. Het is mogelijk het hele universum is zoals dat ook (maar in drie dimensies—het oppervlak van een donut is slechts twee-dimensionaal).”
Jessie Shelton
Assistant Professor, Natuurkunde en Sterrenkunde, Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, waarvan het onderzoek richt zich op de astrofysica en de kosmologie
Dat hangt ervan af wat je bedoelt met de rand van het heelal. Omdat de snelheid van het licht eindig is, als we kijken verder en verder uit in de ruimte, we kijken verder en verder terug in de tijd — zelfs wanneer we kijken naar de galaxy naast de deur, Andromeda, we zien niet wat er nu gebeurt, maar wat er gebeurde twee en een half miljoenen jaren geleden, toen Andromeda sterren uitgestoten het licht dat onze telescopen zijn nu pas detecteren. Het oudste licht dat we kunnen zien is gekomen uit het verste weg, dus in zekere zin is de rand van het heelal is wat we kunnen zien in het oudste licht dat ons bereikt. In ons universum, dit is de kosmische microgolf achtergrond — een zachte, aanhoudende nagloed van de Oerknal, het merken wanneer het heelal afgekoeld genoeg te laten atomen vormen. Dit heet het oppervlak van laatste verstrooiing, aangezien het markeert de plaats waar de fotonen gestopt ping-ponging rond tussen de elektronen in een heet, geïoniseerd plasma en begon streaming via transparante ruimte, de hele weg over miljarden lichtjaren van ons op Aarde. Dus je zou kunnen zeggen dat de grens van het universum is het oppervlak van laatste verstrooiing.
Wat is er aan de rand van het heelal? Goed, dat weten we niet — we kunnen niet, we zouden moeten wachten voor het licht dat wordt uitgestraald er nu naar hier komen vele, vele miljarden jaren in de toekomst, en omdat het heelal uitdijt sneller en sneller, het is waarschijnlijk niet in staat om het hier helemaal — maar we kunnen er wel een gok. Op de grootste schalen, ons universum er vrij veel het zelfde in welke richting we kijken. Dus de kans is groot, als je aan de rand van ons waarneembare universum vandaag, zou u een universe dat er meer of minder dezelfde als de onze, sterrenstelsels, groot en klein, in alle richtingen. Dus een zeer goede gok voor wat zich aan de rand van het heelal nu is het gewoon, meer universum: meer sterrenstelsels, meer planeten, misschien zelfs meer levende dingen met dezelfde vraag.
“…in één zin, de grens van het universum is wat we kunnen zien in het oudste licht dat ons bereikt.”
Michael Troxel
Assistant Professor, Physic, Duke University, waarvan de onderzoeken richt zich op observationele en theoretische kosmologie
Ondanks het Universum waarschijnlijk oneindig in omvang, er is eigenlijk meer dan een praktische ‘de rand’.
Wij denken dat het Heelal is eigenlijk oneindig is—het heeft geen rand. Als de Universe is ‘plat’ (zoals een blad papier), zoals we hebben het getest te worden op beter dan een procent precisie, of ‘open’ (zoals een zadel), dan is het echt oneindig. Als deze is ‘gesloten’, dat is een beetje zoals een basketbal -, dan is het niet oneindig is. Echter, als je ver genoeg gaan in één richting, uiteindelijk kom je weer terug waar je begonnen bent, denk maar over het verplaatsen over het oppervlak van de bal. Als een hobbit genaamd Bilbo ooit zei: “De Weg gaat steeds op en aan/Uit vanaf de deur waar hij begon” (over en over…).
Het Universum heeft er nog een ‘edge’ voor ons, maar twee, echt. Dit is te wijten aan een deel van de Algemene Relativiteitstheorie, die zegt dat alle dingen (inclusief het licht) in het Universum hebben een maximumsnelheid—ongeveer 670 miljoen kilometer per uur en dat de maximum snelheid is overal hetzelfde. Onze metingen vertellen ons ook dat het Heelal aan het uitdijen is in elke richting, en niet alleen groeiende, maar het uitbreiden van sneller en sneller in de tijd. Wat dit betekent is dat wanneer we zien een object ver van ons vandaan, het licht van dat object enige tijd duurt om ons te bereiken (de afstand gedeeld door de snelheid van het licht). Het lastige is dat omdat de ruimte uitdijt, terwijl dat licht zich met ons, de afstand die het licht heeft om te reizen is ook het verhogen van de loop van de tijd op zijn weg naar ons.
Dus het eerste wat je zou kunnen stellen is wat is de verste afstand die we konden observeren licht van een object als het uitgezonden wordt bij het begin van het Heelal (dat is ongeveer 13,7 miljard jaar oud). Dit blijkt ongeveer 47 miljard lichtjaar (een lichtjaar is ongeveer 63,241 keer de afstand tussen de Aarde en de Zon), en heet de ‘comoving horizon’. U kunt ook de vraag stellen iets anders. Als we een boodschap gestuurd aan de snelheid van het licht, wat is de verste afstand die iemand van een andere planeet ooit zou kunnen ontvangen? Dit is nog interessanter, omdat de uitbreiding tarief van het Heelal wordt sneller in de toekomst (in plaats van te vertragen in het verleden).
Het blijkt dat, zelfs indien het bericht reisde voor eeuwig, zou ooit in staat zijn om iemand te bereiken, dat is 16 miljard lichtjaren van ons nu. Dit is de zogenaamde ‘kosmische event horizon’. De verste planeet die we hebben kunnen waarnemen is slechts ongeveer 25 duizend lichtjaar afstand, maar, zo konden we toch nog uiteindelijk hallo zeggen tegen iedereen die we kennen zou kunnen bestaan in het Heelal zo ver. De verste afstand van onze huidige telescopen kunnen hebben vastgesteld dat een sterrenstelsel van ons is slechts ongeveer 13,3 miljard lichtjaar, hoewel, dus we kunnen niet zien wat er op een van deze ‘randen’ nu is. Dus niemand weet wat er aan beide zijde!
“Als je ver genoeg gaan in één richting, uiteindelijk kom je weer terug waar je begonnen bent.”
Abigail Vieregg
Assistent-Professor aan de Kavil Instituut voor Kosmologische Natuurkunde aan de Universiteit van Chicago
Met behulp van telescopen op Aarde, we kijken naar het licht van verre plaatsen in het universum. Hoe verder de bron van het licht is, hoe langer het duurt voor dat het licht om hier te komen. Dus, als je kijkt naar verre oorden, je kijkt naar wat die plekken zouden zijn als het licht zag, werd gecreëerd—en niet op wat die plekken zijn, zoals vandaag. U kunt zoeken verder en verder weg, overeenkomstige verder en verder terug in de tijd, totdat je op een plek die overeenkomt met een paar honderd duizend jaar na de Oerknal. Voordat het zover is, het heelal was zo heet en dicht (goed, voordat er sterren en sterrenstelsels!) dat enig licht in het universum gewoon van slag, en kunnen we niet zien met onze telescopen vandaag. Deze plek is de rand van het waarneembare heelal”—ook wel de horizon, want we kunnen niet verder zien dan. Naarmate de tijd vordert, is deze horizon verandert. Als je kon kijken vanaf een andere planeet ergens anders in het heelal, waarschijnlijk zou je iets zien dat heel vergelijkbaar met wat we hier zien is van de Aarde: je eigen horizon, beperkt door de tijd die is verstreken sinds de Big Bang, de snelheid van het licht, en hoe het universum zich uitgebreid heeft.
Wat is de plaats die overeenkomt met horizon van de Aarde vandaag de dag er vandaag uit? We kunnen het niet weten, want we kunnen het alleen bekijken die plaats als het was net na de Big Bang, niet zoals het nu is. Echter, de metingen geven aan dat alle van het heelal dat we kunnen zien, met inbegrip van de rand van het waarneembare heelal, ziet er ongeveer als onze lokale universe vandaag doet: met sterren, sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en veel lege ruimte.
We denken ook dat het heelal veel groter is dan het deel van het heelal dat we toevallig in staat zijn te zien hier, uit Aarde, en er is geen “rand” van het heelal zelf. Het is slechts ruimte-tijd, uit te breiden.
“Alle metingen geven aan dat alle van het heelal dat we kunnen zien, met inbegrip van de rand van het waarneembare heelal, ziet er ongeveer als onze lokale universe vandaag doet: met sterren, sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en veel lege ruimte.”
Arthur B. Kosowsky
Professor, Natuurkunde, Universiteit van Pittsburgh, die in zijn onderzoek richt zich op de kosmologie en aanverwante zaken als theoretische natuurkunde
Een van de meest fundamentele eigenschappen van het universum is zijn leeftijd, die uit een verscheidenheid van metingen die we nu bepalen om zo ‘ n 13,7 miljard jaar. Omdat we ook weten dat het licht zich voortplant met een constante snelheid, dit betekent dat een lichtstraal die begon in een zeer vroeg in de tijd gereisd is een bepaalde afstand door de huidige (genaamd de “horizon afstand” of de “Hubble afstand”). Omdat er niets verspreidt zich sneller dan de snelheid van het licht, de Hubble-afstand is de verste afstand die we ooit kunnen waarnemen in principe (tenzij we ontdekken een manier om de theorie van de relativiteit!).
We hebben een bron van licht die ons van bijna de Hubble-afstand: de kosmische microgolf achtergrond straling. We weten dat er geen “rand” van het heelal uit van de afstand van de magnetron achtergrond oorsprong, die bijna het gehele Hubble afstand van ons. Dus we maken meestal de aanname dat het heelal veel groter is dan onze eigen waarneembare Hubble volume, en een werkelijke rand die kunnen bestaan is veel verder weg dan we ooit kunnen waarnemen. Dit kan mogelijk niet juist worden: misschien is het universum heeft een rand die net buiten de Hubble afstand van ons, en dan is de zee van monsters. Maar omdat alle van het heelal dat we kunnen waarnemen lijkt relatief gelijk en uniform, zou dit een zeer vreemde gang van zaken.
Dus ik ben bang dat we nooit een goed antwoord op de vraag: de universe kan niet een rand op alle, en als het niet hebben van een rand, die rand is ver genoeg, dat het licht van de rand is nog niet genoeg tijd had om ons te bereiken in de hele geschiedenis van het universum. We hebben om zich te vestigen voor het begrijpen van het deel van het heelal dat we daadwerkelijk kunnen observeren.
“Misschien is het universum heeft een rand die net buiten de Hubble afstand van ons, en dan is de zee van monsters. Maar omdat alle van het heelal dat we kunnen waarnemen lijkt relatief gelijk en uniform, zou dit een zeer vreemde gang van zaken.”
Heb je een brandende vraag voor Giz Vraagt? E-mail ons op tipbox@gizmodo.com.
Deel Dit Verhaal