* Kosmologen twijfelen nooit, maar kunnen zich wel vergissen: Heeft de oerknal ooit plaatsgevonden?
1. Voorwoord
Aan ruim 100 mensen stuur ik 2 à 3 maal per jaar een artikel toe. Sommige mensen sturen dit artikel door naar anderen, zodat de totale lezerskring groter is.
Het betreft onderwerpen, welke betrekking hebben op Kosmologie, Klimaatverandering en Duurzame Energie.
2. Inleiding
Ik ben geen wetenschappelijk onderzoeker en doe dus zelf geen waarnemingen.
De gegevens voor een artikel vergaar ik uit literatuur, het bijwonen van (veel) lezingen en het volgen van HOVO colleges op verschillende universiteiten.
Ook geef ik zelf veel lezingen en cursussen.
Bij de kosmologie lezingen of cursussen ben ik tot nu toe altijd uitgegaan van de door de wetenschap geaccepteerde inflatie theorie, d.w.z. dat het Heelal is ontstaan door de uitdijing van een oeratoom.
Echter, naarmate men verder in deze materie duikt, komen er allerlei vragen en onzekerheden naar boven.
In dit artikel probeer ik u deelgenoot te maken van de zekerheden en de twijfels.
3. Apparatuur en meetinstrumenten waar kosmologen gebruik van maken.
Gezien de enorme afstanden in het Heelal maken kosmologen gebruik van spiegeltelescopen om het beeld van hemellichamen of gaswolken dichterbij te halen. Men kan deze objecten fotograferen en vervolgens de foto’s intensief bestuderen. Ook kan men de straling van deze objecten meten met behulp van een spectroscoop, waardoor de chemische samenstelling en de temperatuur hiervan bepaald kan worden. Behalve de plaatsing van deze telescopen op Aarde (Afbeelding 1) kunnen ze ook ingebouwd worden in satellieten, zoals bijvoorbeeld in de Hubble (Afbeelding 2).
Voor het meten van radiogolven maakt men gebruik van radiotelescopen.
De Europese Planck satelliet (Afbeelding 3) heeft van 2009 tot 2013 de kosmische achtergrond straling gemeten. Volgens de wetenschap is deze kosmische straling het restant van de straling afkomstig van de oerknal.
Afbeelding 1 Very Large Telescope
Het observatorium bestaande o.a. uit 4 grote spiegeltelescopen met spiegels van 8,2 m in diameter in de Atacamawoestijn in Chili op 2.635 m hoogte.
Afbeelding 2 Hubble satelliet
Hoogte: 559 km – gewicht:11 ton – gelanceerd 1990 – omloop om de Aarde: 97 min.
spiegel 2,4 m in diameter.
Afbeelding 3 Planck satelliet in L2 Langrange (L) punten
In het Zon – Aarde systeem bevinden zich 4 Lagrange punten. Dit zijn plaatsen waar de zwaartekracht nul is en er geen aandrijving nodig is om de satelliet in zijn baan te houden.
Afstand tot de Aarde: 1,5 miljoen km.
Instrumenten aan boord om achtergrondstraling te meten.
Het begrip achtergrondstraling:
Ik neem u mee terug naar de jaren 1940 – 1950. Mijn vader had twee broers die ieder voor zich een broodbakkerij in Nijmegen hadden. ’s Nachts werd de oven aangestoken en dit was een tunnel die aan de binnenkant bekleed was met vuurvaste stenen. In die tijd was het een hout gestookt vuur. Op het moment dat de oven voldoende heet was en de stenen roodgloeiend waren werd het vuur gedoofd en de as verwijderd. Er was geen vuur meer, maar wel de achtergrondstraling van warmte (infrarood straling: zie Afbeelding 5). Met deze achtergrondstraling konden de broden gebakken worden.
4. De huidige wetenschappelijke theorie over de oerknal met daarmee het ontstaan van het Heelal.
Kosmoloog pater Georges Lemaître poneerde in 1927 de theorie, dat het Heelal uitdijt en dat de sterrenstelsels uit elkaar drijven. Als je deze beweging zou omkeren dan betekent dit dat de geboorte van sterrenstelsels vanuit één punt heeft moeten plaatsvinden.
Hij leidde daaruit af, dat de start van het Heelal vanuit een zeer dichte oertoestand was begonnen: een singulariteit. Op het tijdstip NUL is deze singulariteit (oeratoom) geëxplodeerd. Door terugrekenen van de snelheden van de sterrenstelsels moet deze oerknal (Big Bang) 13,8 miljard jaar geleden hebben plaatsgevonden.
Het Heelal is gevormd uit een enorm heet punt (ca. °C), met een oneindig grote dichtheid. Tegelijkertijd zijn ruimte, tijd, licht en de 4 natuurkrachten ( zwaartekracht, elektromagnetische kracht, zwakke kernkracht, sterke kernkracht) ontstaan.
Binnen een fractie van een seconde vond een super extreme expansie plaats:
In seconde groeide de ruimte met een factor of zelfs meer!
Deze expansie vond plaats met behulp van de zgn. donkere energie en waarvan we nog steeds niet weten wat dit precies is.
Tijdens deze expansie werd volgens de Speciale Relativiteitstheorie van Einstein een groot deel van de energie omgezet in materie: de eerste elementaire deeltjes zoals elektronen en quarks.
Uit deze quarks zijn in tweede instantie protonen en neutronen gevormd, welke de positieve kernen vormen van atomen.
Donkere energie is geen materie en dat betekent dat de snelheid van expansie veel groter kon zijn dan de lichtsnelheid. De elementaire deeltjes werden voortgedreven op de laag donkere energie en bereikten op die manier snelheden boven de lichtsnelheid.
Materie zelf (elementaire deeltjes) is gebonden aan een maximale snelheid:
de lichtsnelheid = 300.000 km per seconde.
Er moest arbeid verricht worden om deze expansie te realiseren en dat kost ook energie, waardoor de temperatuur in een seconde tijd tot °C zakte.
De elektronen in de dichte soep van materiedeeltjes verstrooiden straling (licht is ook een vorm van straling) zodanig het licht niet kon ontsnappen. Te vergelijken met zeer dichte mist, waar nauwelijks licht naar buiten komt.
Na 380.000 jaar toen de temperatuur tot 10.000 °C was gezakt werden de negatief geladen elektronen ingevangen door de positief geladen kernen.
Op dat moment ontstonden de eerste gassen, namelijk waterstof (92%) en helium (8%).
Uit deze gassen zijn sterren en sterrenstelsels gevormd.
Toen de temperatuur gezakt was tot 3000 °K (dit is 3273 °C) kon straling (licht) ontsnappen: Het Heelal werd doorzichtig.
De oorspronkelijke straling bestond uit hoogenergetische fotonen (gammastraling) en worden nu na 13,4 miljard jaar gemeten als kortgolvige radiostraling.
Alle ontstane sterrenstelsels bewegen zich af van het punt waar ze ontstaan zijn en dat betekent dat de golflengte van de in het begin uitgezonden straling “uitgerekt” wordt en van een korte golflengte naar een lange golflengte wordt omgezet
Zie Afbeelding 4.
Afbeelding 4
Als het sterrenstelsel en de Aarde zich niet van elkaar verwijderen dan zal de golflengte niet veranderen (bovenste plaatje). Als het sterrenstelsel zich van de Aarde af beweegt dan zal de golflengte langer worden (tweede plaatje) = Doppler effect
Het spectrum van het zichtbare licht bevat ook donkere lijnen (Von Fraunhoferlijnen).
In het tweede plaatje is te zien dat de Von Fraunhoferlijn wordt “meegetrokken” en we spreken dan over een roodverschuiving. Als de golflengte korter wordt (het sterrenstelsel beweegt zich naar ons toe) spreken over een blauwverschuiving.
In afbeelding 5 wordt duidelijk gemaakt dat alle straling bestaat uit een energiedeeltje dat een golvende beweging maakt, maar dat er wel een verschil in golflengte en amplitude (hoogte van de golf) is.
Afbeelding 5
Het verschil in straling wordt bepaald door de golflengte en de energie inhoud (amplitude). De ene straling kan dus in de ander overgaan. Bijvoorbeeld gammastraling in radiostraling. Het bovenste plaatje van links naar rechts:
Gammastraling, Rö-straling, UV-straling, Zichtbaar licht, Infraroodstraling, Radiogolven.
Het zichtbare licht is de enige straling die wij met onze ogen kunnen waarnemen:
kleuren van de regenboog
Opvallend is dat het Heelal nog steeds uitdijt, terwijl je zou verwachten dat de zwaartekracht haar werking zou gaan doen en de sterrenstelsels dus weer naar elkaar toe getrokken zouden worden. Dat is niet zo. Het is zelfs zo, dat de uitdijing groter wordt naarmate de stelsels verder van ons verwijderd zijn.
Sterrenstelsels op een kleine afstand van ons Melkwegstelsel bewegen zich enkele honderden kilometers per seconde van ons af.
Verder weg gelegen stelsels bewegen zich duizenden tot tienduizenden kilometers per seconde van ons af.
Het was Edwin Hubble, die in 1929 door metingen de theorie van Georges Lemaître betreffende de uitdijing van het Heelal en ook de toename in snelheid van verder weg gelegen stelsel heeft bewezen. ZieAfbeelding 6.
Afbeelding 6
De spectra van een sterrenstelsel op drie verschillende afstanden. Het bovenste spectrum is de eerste meting. Bij de volgende twee metingen is het stelsel al weer verder verwijderd. Het verschil in jaren tussen de verschillende metingen is bekend.
Uit de verschuiving van de Von Fraunhoferlijn kunnen we de afgelegde afstand berekenen en we weten in hoeveel tijd dat is gebeurd. De snelheid van verwijdering is dan uit te rekenen.
We zien dus dat de snelheid van verwijdering toeneemt van 24.000 km/h
naar 135.000 km/h.
Dus: hoe verder een stelsel van ons af ligt hoe groter de snelheid van verwijdering.
De bovengenoemde kortgolvige radiostraling, afkomstig van de oerknal, is nog steeds aanwezig en is dus te meten (achtergrondstraling).
Met behulp van de Planck satelliet is deze straling gemeten. ZieAfbeelding 7.
Afbeelding 7
Achtergrondstraling afkomstig van het gas, dat 380.000 jaar na de oerknal hoogenergetische straling uitzond, welke nu als kortgolvige radiostraling wordt gemeten.
Het noordelijk en zuidelijk deel van het Heelal vormen samen de ellips.
De gemeten temperatuur in de interstellaire ruimte op dit moment 2,725°K.
De begintemperatuur (380.000 jaar na de oerknal) was 3000 °K en dat betekent dat het Heelal sinds die tijd met een factor 3000/2,725 = 1100 is vergroot.
De blauwe plekken zijn een fractie koeler dan de groene, gele en rode plekken en dat betekent dat de dichtheid in de blauwe zones iets groter was, waardoor het gas naar deze plaatsen begon samen te trekken en waarin uiteindelijk stervorming plaats vond.
Het proces van de oerknal tot 380.000 jaar na de oerknal is hierboven beschreven.
Vanaf 380.000 jaar na de oerknal, het Heelal was vanaf dat moment doorzichtig, was het mogelijk om alle processen qua geboorte en sterven van sterren te volgen en over de juistheid van deze waarnemingen is dan ook geen enkele twijfel.
Het is niet mogelijk om de periode vóór de oerknal en de periode na de oerknal tot 380.000 jaar later in beeld te brengen: Er was geen licht!
Het zijn de kosmologen en astronomen geweest die door middel van zeer ingewikkelde wiskundige en natuurkundige berekeningen deze periode in kaart hebben gebracht en deze inflatie theorie is door de overgrote meerderheid van de wetenschap ook aanvaard.
Echter, de natuurkundigen Dr. Ahmed Farag Ali (universiteit van Benha in Egypte) en
Prof. Saurya Das (universiteit van Lethbridge in Canada) ontkennen de inflatietheorie en het aanwezig zijn geweest van een singulariteit.
Zij gaan er vanuit, dat het Heelal er altijd al is geweest, zij het in een kleinere vorm en dat het kleinere Heelal gevuld is geweest met gravitonen (geen massa, maar zijn wel verantwoordelijk voor de zwaartekracht).
Ook zijn er aanhangers voor de theorie, dat ons Heelal is ontstaan binnen een ander Heelal en dat betekent, dat er zelfs meerdere Heelallen kunnen zijn (Multiversum).
Een zwart gat in een ander Heelal zou dan de materie via een wormgat overgebracht hebben naar een wit gat, waaruit dan ons Heelal dan zou zijn ontstaan. Zie Afbeelding 8.
Afbeelding 8
Voorbeeld van een zwart gat in ons Heelal waarin sterren, gaswolken en soms hele sterrenstelsels in verdwijnen om vervolgens wellicht via een wit gat in een ander Heelal “uitgespuugd” te worden.
Over de vraag hoe het oeratoom is ontstaan heeft Alan Guth (Amerikaanse kosmoloog en hoogleraar Natuurkunde aan het Massachusetts Institute of Technology) een theorie ontwikkeld, welke er op neer komt dat er in een vacuüm virtuele deeltjes kunnen ontstaan (door Casimir effect bewezen!). Vacuüm heeft zelf een bepaalde energie.
Uit deze energie kunnen deeltjes en anti-deeltjes (= virtueel deeltje) uit het niets verschijnen en verdwijnen.
Op verschillende plaatsen kan een ander vacuum ontstaan door een verschil in het aantal aanwezige deeltjes.
In Afbeelding 9 is dit weergegeven. In de binnenste cirkel is het vacuum hoger dan in de buitenste ring. Oftewel de druk in de buitenste ring is hoger.
Door implosie wordt de totale ruimte met deeltjes in elkaar geperst, waarbij een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Deze energie wordt samengebald in één punt: het oeratoom.
Deze theorie houdt overigens wel in, dat er vóór de oerknal al ruimte moet zijn geweest.
Afbeelding 9 Samenpersen door verschil in vacuüm geeft energie
5. Het ontbreekt nog aan waarnemingen, die de juistheid van de inflatietheorie (het ontstaan van het Heelal uit een oeratoom) kunnen hard maken: dus onzekerheid
Een keihard bewijs voor de inflatietheorie is nog niet geleverd …. tot de datum van maart 2014:
Amerikaanse wetenschappers van de Harvard-universiteit hebben een belangrijke ontdekking gedaan welke de theorie van de oerknal onderschrijft. Met een speciale telescoop, BICEP2 (Afbeelding 10), hebben ze een belangrijk bewijs gevonden voor de kortstondige fase waarin het heelal vele malen groter werd - de zogenoemde kosmische inflatie.
Het bewijs bestaat uit hemelkaarten waarop de vingerafdrukken van ‘gravitatiegolven’ te zien zijn – rimpelingen in de structuur van ruimte en tijd.
Een gravitatie (= zwaartekracht) golf kun je vergelijken met een rimpeling die op een spiegelglad wateroppervlak ontstaat als je een steen in het water gooit. De rimpeling in het water wordt door het water zelf afgeremd, maar dit gebeurt in het lege Heelal in veel mindere mate en dus zal deze gravitatiegolf tot in lengte van tijd meetbaar zijn.
Afbeelding 10 Het Dark Sector Lab op Antarctica met links de BICEP2 telescoop.
Al vrij snel na de publicatie van dit grote nieuws werden de waarnemingen van het Harvard team in twijfel getrokken door het Planck team dat met waarnemingen van de Planck satelliet kon aantonen dat de waarnemingen betrekking hadden op een stofwolk in ons Melkwegstelsel en de gravitatiegolven dus niet afkomstig waren van de kosmische achtergrond straling. BICEP2 heeft de straling gemeten bij een frequentie van 150 GHz
en dit is de frequentie waarmee het melkwegstof wordt gemeten.
Men is nu gestart met de bouw van de telescoop BICEP3, welke bij een frequentie van 95 GHz gaat meten. Zie Afbeelding 11.
Afbeelding 11 De nieuwe BICEP3 in aanbouw
Het bestaan van zwaartekrachtgolven is door Albert Einstein voorspeld. Wel is het zo, dat de gravitatiegolven flink afgezwakt zullen zijn en dat er zeer gevoelige instrumentaria nodig zullen zijn om deze “overblijfselen” van de oerknal te kunnen waarnemen.
We wachten de resultaten van BICEP3 af!
6. Slotwoord
Naar menselijke maatstaven zijn de prestaties van astronomen, kosmologen en ruimtevaart organisaties voortreffelijk. Vanuit kosmisch oogpunt stelt het nog weinig voor.
Over de samenstelling van, en processen in het Heelal is slechts 4% bekend. Zie Afbeelding 12.
Afbeelding 12
Slechts 4% van het Heelal bestaat uit zichtbare materie en is bekend bij ons. Hiervan bestaat 0,4% uit sterren en dan te weten dat er +/- 200 miljard sterrenstelsels zijn welke elk 100 tot 400 miljard sterren bevatten.
Van de overige 96% (donkere energie en donkere massa) is nog weinig of niets bekend.
Wij mensen zijn in staat om naar de Maan te reizen en over enkele jaren zal de reis naar Mars plaatsvinden. De enkele reis naar Mars duurt 6 maanden.
Een enkele reis naar de dichtstbijzijnde ster in ons Melkwegstelsel (Proxima Centauri) duurt duizenden jaren. Proxima Centauri ligt op een afstand van 4,22 lichtjaren (ly) en dit zijn 4,22 x 9.500.000.000.000 = 40.090.000.000.000 km
En dan te weten dat de doorsnede van ons Melkwegstelsel 110.000 ly is!
Wij zijn een nietig stipje is ons Melkwegstelsel en betekenen al helemaal niets in het onmetelijke Heelal.
Als mens denken wij iets over de processen in de kosmos en over het ontstaan van het Heelal te weten. Dat mag dan misschien waar zijn, maar wij beschikken niet over de vaardigheden om elementaire deeltjes en natuurkrachten uit niets te creëren.
Er moet dus Iets of Iemand zijn die oneindig machtiger en bekwamer is dan de mens.
Met deze gedachte neem ik u mee naar de Sixtijnse kapel in Rome, waar Michelangelo het gewelf heeft beschilderd.
Zie Afbeelding 13.
Afbeelding 13
“De Schepping: The hand of God” van Michelangelo in de Sixtijnse kapel in Rome
Zwartebroek, maart 2015
Ap Cloosterman