sciencetalk

Hoi,
 
Ik kreeg vandaag de volgende tentamenvraag:
 
Verklaar hoe men erachter kwam dat het heelal uitdijt.
 
Mijn antwoord was: alle melkwegstelsels (behalve de Andromedanevel) tonen roodverschuiving, wat betekent dat alles van ons weggaat, wat betekent dat het heelal uitdijt.
 
Volgens het antwoordenmodel moest ik hier ook nog bij voegen dat de snelheid waarmee de melkwegstelsels weggaan ook steeds groter wordt (v=H₀r).
 
Maar ik begrijp niet waarom het heelal niet kan uitdijen zonder dat de snelheid toeneemt? Het heelal had 'theoretisch gezien' toch in het begin versneld kunnen uitdijen en dat het nu met constante snelheid verder gaat? Oftewel, in mijn ogen is mijn antwoord volledig. Als de vraag was geweest "wat duidt op de versnelde uitdijing van het heelal", dan was het tweede punt nodig geweest. (Ik las trouwens ook dat die minder versneld toeneemt als voorheen.)
 
Het gaat mij niet zozeer om het goed of fout hebben beantwoord van de vraag, maar ik vind het zelf gewoon niet logisch en wil eventueel een eigen denkfout rechtzetten.
 
bvd

Dat het heelal uitdijt, blijkt inderdaad alleen uit het feit dat we roodverschuiving meten voor alle melkwegstelsels. Men is er later ook achter gekomen dat het heelal versneld uitdijt. Dit blijkt uit het feit dat de snelheid waarmee de melkwegstelsels weggaan ook steeds groter wordt.
 
De vraag is nu dus: wat was letterlijk de oorspronkelijke vraag? Is hij letterlijk zoals in je openingspost, dan heb je gelijk. Stond daar toch het woord versneld bij, dan moet dat gedeelte van het antwoordenmodel toch echt erbij.

Oh oke, dan weet ik genoeg! Dankjewel!

Verklaar hoe men erachter kwam dat het heelal uitdijt.

 
Ook als de vraag letterlijk zo gesteld is, dan is er op jouw antwoord wel wat aan te merken:
 

Volgens het antwoordenmodel moest ik hier ook nog bij voegen dat de snelheid waarmee de melkwegstelsels weggaan ook steeds groter wordt (v=H₀r).

 
Dat is natuurlijk zo, hoe verder weg, hoe sneller de stelsels zich van ons verwijderen, hoe groter de roodverschuiving. Dit heeft op zich niets te maken met de (volgens recente waarnemingen iets sterker dan eerst gemeten) versnelde uitdijing.
 
Stel dat ik de openingszin in jouw antwoord letterlijk neem: 'Alle sterrenstelsels ... vertonen roodverschuiving'. Dan mag ik dat ook interpreteren als:
- alle sterrenstelsels vertonen dezelfde roodverschuiving
- verre stelsels vertonen ook roodverschuiving maar minder dan nabije-
 
Beide interpretaties wijzen op een zich wel heel vreemd gedragend heelal waar lokaal expansie is, en er tussen objecten verder weg stilstand of zelfs krimp zou zijn. Jouw conclusie: 'wat betekent dat alles van ons weggaat, wat betekent dat het heelal uitdijt' is op basis van die openingszin dan ook niet te trekken voor het gehele heelal, want het kan dan een lokaal verschijnsel zijn.

Michel Uphoff schreef:Dat is natuurlijk zo, hoe verder weg, hoe sneller de stelsels zich van ons verwijderen, hoe groter de roodverschuiving. Dit heeft op zich niets te maken met de versnelde uitdijing.

 
Ik ben geen deskundige op dit gebied, maar heb de hierbij de volgende vraag:
 
Stelsels die zich van ons af bewegen raken daardoor verder van ons af. Als het een feit is dat verder van ons afstaande stelsels sneller van ons af bewegen dan dichterbij staande stelsels moet het wel zo zijn dat alle stelsels zich steeds sneller van ons af bewegen. Staat dat los van de versnelde uitdijing van het heelal?

Michel Uphoff schreef: Stel dat ik de openingszin in jouw antwoord letterlijk neem: 'Alle sterrenstelsels ... vertonen roodverschuiving'. Dan mag ik dat ook interpreteren als:
- alle sterrenstelsels vertonen dezelfde roodverschuiving
- verre stelsels vertonen ook roodverschuiving maar minder dan nabije-
 
Beide interpretaties wijzen op een zich wel heel vreemd gedragend heelal waar lokaal expansie is, en tussen objecten verder weg stilstand of zelfs krimp. Jouw conclusie: 'wat betekent dat alles van ons weggaat, wat betekent dat het heelal uitdijt' is op basis van die openingszin dan ook niet te trekken voor het gehele heelal, want het kan dan een lokaal verschijnsel zijn.

 
Hmm, dankjewel, dat helpt!! Als ik het goed begrijp, zou in het geval van complete expansie vanuit elk punt in het heelal [over het algemeen] roodverschuiving te meten moeten zijn, en dit kan alleen zo zijn als vanuit een willekeurig punt de wet van Hubble geldt.
 
Dit helpt echt, echt, echt heel erg, superbedankt.

Als ik het goed begrijp, zou in het geval van complete expansie vanuit elk punt in het heelal [over het algemeen] roodverschuiving te meten moeten zijn.

 
Correct.

@PP: Staat dat los van de versnelde uitdijing van het heelal?

 
Ja, dat staat los van elkaar, volgens waarnemingen neemt de namelijk de schaalfactor toe in de tijd:
 
Over een gegeven vaste afstand (bijvoorbeeld een megaparsec) nam volgens vroegere aannames de tussenliggend ruimte toe met een vaste waarde per tijdseenheid, ongeveer met 73 km/s per Mpc. Op 1 Mpc afstand verwijderen objecten zich dan met 73 km/s van ons, op 2 Mpc met 146 km/s en op 1000 Mpc met 73.000 km/s et cetera.
 
Met een elastiek is dit inzichtelijk te krijgen: We nemen een elastiek van een meter en zetten er iedere cm een streepje op. Nu rekken we dat elastiek met een constante snelheid van zeg eens een meter per seconde uit. Na een seconde is de afstand tussen naastgelegen streepjes dus 2 cm geworden, een toename van 1 cm per seconde. Maar tussen de verst van elkaar gelegen streepjes is de afstand dus met een meter in die seconde toegenomen. Hoe groter de onderlinge afstand tussen de streepjes, hoe sneller de onderlinge verwijdering bij een constante expansie. v = H₀r, de recessiesnelheid v is evenredig aan de Hubbleconstante(nu) * de afstand. De 'Hubbleconstante' nu, (H₀) van dit elastiek is dus 1cm/s maal de onderlinge afstand in centimeters en is overal in het elastiek gelijk. Merk op, dat de Hubbleconstante in de tijd niet constant is.
 
Astronomen verwachtten dat als ze zeer ver konden kijken, ze een toename van die universele expansie zouden zien. Het heelal bevat immers massa, en dat zou de expansie af moeten remmen, ook al is dat mogelijk een zeer gering effect. Aangezien ver weg kijken ver terug in de tijd kijken is, was dit de logische conclusie: Vroeger moest het heelal wat sneller uitgedijd zijn dan nu, inmiddels wat afgeremd door de gravitatiekrachten, het geval is.
 
Tot 1998 was dit dan ook de verwachtte uitkomst van metingen door de Hubble telescoop aan zeer ver verwijderde type Ia supernovae die geacht worden een gelijke lichtkracht te hebben. De astronomische wereld stond op haar kop, toen bleek dat op grote afstand, veel vroeger dus, het heelal langzamer expandeerde dan nu het geval is. De logische conclusie die getrokken wordt is dat het heelal nu sneller expandeert dan vroeger het geval was, en dat valt met inachtneming van de geaccepteerde natuurwetten zonder het toevoegen van een energiebron niet te verklaren, of de huidige natuurwetten behoeven aanpassing. In het voorbeeldje van het elastiek: Het wordt niet met een constante, maar met een toenemende snelheid uitgetrokken.
 
Vacuümenergie wordt geopperd, en naarmate er meer ruimte bij komt, komt er meer vacuüm en dientengevolge meer energie. Probleem is dat berekeningen aan deze vacuümenergie (via virtuele deeltjes) een uitkomst geven die te groot is. Niet een beetje te groot, maar een whopping factor 10¹²⁰ te groot.
Dan is er het quintessence idee; de ruimte is gevuld met een vreemd 5e element (naar de oude filosofen) dat een tegenovergestelde werking heeft als gewone (baryonische) materie en energie, het stoot af. Er is nog geen spoor van bewijs voor een dergelijke 'etherachtige' exotische stof.
Als derde hoofdlijn is er de MOND (Modified Newton Dynamics) theorie (met vele varianten). Deze theorie stelt voor subtiele aanpassingen te doen aan de wetten van Newton en de Art, waardoor de waarnemingen verklaard kunnen worden. Ook dit is een actief onderzoeksgebied, maar erg opschieten doet het nog steeds niet.
 
Samengevat: Voor deze versnelde expansie is nog geen enkele goede verklaring, en we noemen het van arren moede tot nu toe maar donkere energie.
 
Als ik zou moeten gokken, houd ik het op zeer subtiele aanpassingen van de huidige natuurwetten (die dan mogelijk ook dat andere pijnpunt; de onverenigbaarheid van kwantummechanica en art weg zouden kunnen werken). Maar, ik zet er geen geld op hoor.
 
Kortgeleden werd bekend dat, wederom op basis van Hubble waarnemingen, die versnelde expansie zo'n 5 tot 9 procent hoger ligt dan aangenomen werd. Een waarneming die andere metingen (o.a. die van de Planck satelliet) tegenspreekt: klik

Ik mis eigenlijk een optie in de opsommingen, eentje die wellicht goed samengaat met de Vacuum energie ... Namelijk, de materie die er daadwerkelijk bij komt...
 
Als virtuele deeltjes energie toevoegen, neemt het vormen van daadwerkelijke deeltjes die energie dan niet ten dele weg? Je zou zo in principe kunnen berekenen hoeveel massa het universum produceert. Door de Vacuum energie - Ontstane Massa = Uitdijingsenergie.

Namelijk, de materie die er daadwerkelijk bij komt...

 
Vacuümenergie - uit die energie ontstane massa = resterende uitdijingsenergie stel je. Probleem is dat die theoretische vacuümenergie een factor 10¹²⁰ te groot is. Er zou om de boekhouding te laten kloppen onmogelijk veel massa aan het heelal moeten worden toegevoegd, want zelfs e=mc² leidt tot een m-e verhouding van 'slechts' ruwweg 1:10¹⁷, wat hierbij vergeleken volstrekt verwaarloosbaar lijkt. Het massa-equivalent van de donkere energie zou ruwweg slechts 10⁻²⁹ g/cm³moeten zijn.
 
Heb je een wetenschappelijk verantwoorde onderbouwing voor deze optie, en/of een betrouwbare bron waar je naar kan verwijzen?

De m-e verhouding waarover je praat (1:10¹⁷) is dan wel de verhouding 'zonder' de Vacuum energie te laten meetellen neem ik dan aan?
 
 

Michel Uphoff schreef: Heb je een wetenschappelijk verantwoorde onderbouwing voor deze optie, en/of een betrouwbare bron waar je naar kan verwijzen?

Ik zal de link naar de lekentheorie sectie hier opnemen als ik zover ben... ... schoot me gewoon te binnen toen ik je bijdrages hierboven las.

De m-e verhouding waarover je praat (1:10¹⁷)

 
e=mc² en c²= 300.000.000², ruwweg 10¹⁷.
M.a.w. we nemen een hoeveelheid energie van 10¹⁷ Joule, en kunnen daar 1 kg massa van maken.
Die theoretische vacuümenergie is een factor 10¹²⁰ te groot. In massa-equivalenten uitgedrukt ongeveer een factor 10¹⁰³ te groot.
De gemiddelde dichtheid van het heelal is ongeveer 1 × 10^-27 kg/m³, jouw 'compensatie' van dat enorme vacuümenergiesurplus d.m.v. materie zou dan een gemiddelde dichtheid van het heelal opleveren van ongeveer 10⁷⁶ kg per kubieke meter.
 
Het is maar een enorm ruwe en vereenvoudigde schatting, want meer massa betekent natuurlijk ook sneller afremmen van de uitdijing, dus meer behoefte aan donkere energie om dat weer te compenseren. Maar het is ook volstrekt duidelijk dat dit soort magnitudes nimmer kunnen.
 

Ik zal de link naar de lekentheorie sectie hier opnemen als ik zover ben

 
Ik laat mij liever overtuigen door een wetenschappelijke onderbouwing en/of een betrouwbare wetenschappelijke bron.

Nogmaals bedankt voor de duidelijke uitleg (ruwweg is meer dan voldoende in dit geval). Hmmm, ik zie je punt, al valt de behoefte aan donkere materie zo wel in ene volledig weg :) alhoewel ik daar wel voor te porren ben, wordt er nu ook weer niet ZO veel donkere materie veronderstelt ...
 

Michel Uphoff schreef:
Ik laat mij liever overtuigen door een wetenschappelijke onderbouwing en/of een betrouwbare wetenschappelijke bron.

Dan kan ik nu simpelweg verwijzen naar de bijdrages hierboven ... 'waarneming'- check ... 'hypothese'- check ... 'testen hypothese'- check ... 'Resultaat (Hypothese verworpen)'- check ... Op wetenschappelijke wijze een bijdrage geleverd aan de wetenschap - check ...

Stel ik heb een ballon met een bepaalde inhoud, de gasmoleculen kunnen hierin vrij bewegen maar niet verder dan de ballon groot is. Als ik de ballon nu laat uitdijen door deze in een vacuüm te plaatsen, zullen de moleculen meer ruimte hebben om zich te bewegen, de snelheid neemt toe en er zullen moleculen naar het uiteinde van de ballon bewegen. Hier is dus geen donkere energie voor nodig, het enige dat toegenomen is het volume. 
 
Sterrenstelsels zijn in beweging net zoals gasmoleculen in een ballon en als deze meer ruimte krijgen kunnen ze zich ook verder naar de "rand" bewegen. Zelf heb ik het vermoeden dat elektromagnetische straling hiervoor verantwoordelijk is waaronder dus licht. Dat deze zich dus tot de "rand" bewegen en hier meer ruimte creëren maar dat zou dan met de snelheid van het licht zijn. Dit betekent immers niet dat de sterrenstelsel dan ook met de snelheid van het licht gaan bewegen maar wel versnellen.
 
Moeilijk voor te stellen omdat het universum immers geen rand heeft maar elektromagnetische straling z'n weg blijft vervolgen in het oneindige. Dat is zomaar een idee en geen hypothese want gravitatie is ook een goede kandidaat.   

De 'donkere energie' is niet nodig om het heelal uit te laten dijen. Ze is -met inachtneming van de huidige natuurwetten- nodig om het heelal versneld uit te laten dijen. Zie bericht #8