Het einde van alles

      Geen reacties op Het einde van alles

Een aantal weken geleden schreef ik een stuk over de oerknal en het begin van ons universum, vandaag ga ik het hebben over het eind van het universum. Er zijn verschillende theorieën over het einde van het universum geweest, welke ik hier allemaal zal toelichten. Het is een strijd tussen zwaartekracht en uitdijing, een ‘big crunch’ en een ‘big freeze’. Of zal het voor die tijd al voorbij zijn?

 

CMB_Timeline75

De tijdlijn van het universum, links de oerknal. Het zwarte deel is de 380.000 jaar waarin er geen licht van sterren te zien was. Verder naar rechts worden alle sterren(stelsels), planeten etcetera gevormd. Credit: NASA

Het universum is alles, maar zal uiteindelijk ophouden te bestaan. Sinds de oerknal verbruikt het universum brandstof (sterren fuseren waterstof kernen tot helium kernen), maar wat gebeurt er als deze brandstof op is? Als alle sterren opgebrand zijn, houden we alleen nog maar overblijfselen over, waaronder neutronensterren en zwarte gaten. Uiteindelijk zullen ook deze vergaan. Sinds de afgelopen decennia zijn we er achter gekomen dat het universum niet rustig ouder wordt.

 

Twee dodelijke krachten zijn in gevecht, aan de ene kant de expansiedrift van het universum, welke alles uit elkaar trekt en zorgt dat alles afkoelt. Aan de andere kant zwaartekracht, dat alles naar zich toe trekt en zorgt dat alles opwarmt. Wordt het een gelijkspel of wint een van beide krachten dit?

Zwaartekracht wint

Zwaartekracht trekt alles aan, hierdoor konden de sterren, planeten en sterrenstelsels gemaakt worden. Gelukkig voor ons is de hoeveelheid zwaartekracht goed uitgekiend. Een teveel zou hebben betekend dat het universum heel snel weer in zou krimpen en er geen tijd zou zijn geweest om sterren etc. te vormen. Te weinig zou betekenen dat het universum te snel zou uitdijen en er weer niet genoeg tijd zou zijn om sterren etc. te vormen.

Het blijkt dat de hoeveelheid zwaartekracht afhankelijk is van de hoeveelheid materie, dit leidde tot een formule waarmee de kritieke dichtheid bepaald kon worden. Een te grote dichtheid geeft een big crunch en een te kleine dichtheid een big freeze. Het blijkt dat de kritieke dichtheid 5 waterstofatomen per kubieke meter is. Uit onderzoek bleek op het eerste gezicht dat ons universum op deze kritieke dichtheid zit.

Onbekend spul

 

080998_Universe_Content_240_after_Planck

De samenstelling van het universum nu en 380 duizend jaar na de oerknal. Credit: NASA

Helaas voor ons bleek in de jaren ’70 dat het universum ook gevuld was met onzichtbaar spul. De zwaartekracht van dit onzichtbare spul zou het universum kunnen laten inkrimpen. Het bleek dat dit onzichtbare niet zorgde voor een fractie meer zwaartekracht, maar voor een 5 keer grotere kracht. Zwaartekracht bepaalt mede de snelheid waarmee objecten rond elkaar draaien. Meer zwaartekracht betekent een hogere snelheid. Toen astronomen naar de snelheid van de sterren van ons melkwegstelsel keken, bleek dat deze te snel gingen. Dit zou eigenlijk betekenen dat er geen sterrenstelsels zouden moeten zijn, maar toch bevat het universum miljarden sterrenstelsels.

 

Er moet dus nog een zwaartekrachtsbron zijn, maar waar de astronomen ook keken, ze zagen het niet. Dit nieuw ontdekte spul blokkeert, reflecteert en geeft geen licht, daarom noemen we dit spul ook wel donkere materie. Toen bleek dat alle materie die wij zien en kunnen meten slecht een klein deel is van de totale materie in het universum.

Deze donkere materie moet er het eerst zijn geweest, zodat dit atomen kon aantrekken die later sterren en planeten begonnen te vormen. Deze donkere materie houdt het universum bijeen, maar dreigt het ook te vernietigen. Deze donkere materie zou namelijk de zwaartekracht kunnen helpen in de strijd tegen expansie. Uiteindelijk zal dit zorgen dat het universum begint te krimpen.

Wat gebeurt er?

Big_Crunch

Een animatie van de big crunch. Credit: Rogilbert

In het geval van een big crunch zal het universum op een punt stoppen met uitdijen, om daarna ineen te storten. Voor ons lijkt het dan alsof het hele universum op ons afkomt. Hoe dichterbij alles komt, hoe meer zwaartekracht er ontstaat. De temperatuur wordt groter terwijl alles steeds sneller op ons afkomt. Alles botst op elkaar, van zwarte gaten tot planeten en uiteindelijk zal alles in een immens klein puntje met een oneindige massa samenkomen. Dan zijn we weer terug bij het begin, de oerknal begon ook in zo’n immens klein en zwaar punt.

Een nieuw begin

Sommige mensen denken dat dit kan leiden tot een nieuw begin. Omdat de natuurkundige wetten dan niet meer gelden, zou het zomaar kunnen zijn dat er weer een oerknal ontstaat en er een cyclisch universum is.

Expansie wint

 

Expansion_de_l'univers.gif

De uitdijing van het heelal, op een gegeven moment zullen alle sterrenstelsels te ver bij ons vandaan staan om ze nog te kunnen zien.  Credit: NASA

Toen astronomen eindelijk dachten dat ze uitgevonden hadden hoe het heelal zou eindigen, had het universum weer iets nieuws in petto. Een onbekende kracht stuurt ons op een compleet ander eind af. Begin jaren ’90 deden 2 teams van astronomen onderzoek naar de uitdijing van het heelal. Ze bekeken of het heelal langzaam aan langzamer uitdijde, zodat ze wisten of er een big crunch aan zat te komen. Het resultaat schokte de wereld.

 

Het bleek dat het heelal sinds 8 miljard jaar steeds sneller uitdijt, uit de wet van behoud van energie volgt dan dat er ergens meer energie vandaan moet komen. Deze mysterieuze energiebron bleek het vacuüm in het heelal te zijn. Dit vacuüm heeft energie, wat zorgt voor een soort antizwaartekracht. We weten niet waar dit vacuüm de energie vandaan haalt, daarom noemen we het ook wel donkere energie.

Uit onderzoek is gebleken dat het heelal voor zo’n 68% uit donkere energie bestaat en dat naar mate het universum uitdijt, dat er meer donkere energie is. Doordat er meer donkere energie bijkomt, versnelt de uitdijing van het heelal. De relatie tussen de ruimte, donkere energie en de uitdijing is onbekend.

Als deze relatie een verhouding heeft van 1:1, dan levert dat een regelmatige expansie op. We krijgen een big freeze. Maar als er meer donkere energie bij komt dan ruimte, krijgen we te maken met een veel catastrofaler eind, het big rip scenario. Hoe dan ook, pas als we weten hoe donkere energie werkt, zullen we te weten komen hoe het universum eindigt

Big Rip

Big_rip

Animatie van de big rip. Credit: Rogilbert

In het geval van een big rip zal de expansie zo snel gaan, dat alle sterrenstelsels sneller dan het licht bij elkaar vandaan bewegen. Dan zal donkere energie alle structuren op steeds kleiner wordende schaal uit elkaar trekken. Eerst hele sterrenstelsels, dan zonnestelsels, dan sterren en planeten enzovoorts. In een paar minuten zijn alle sterren en planeten vergaan. Uiteindelijk zullen zelfs alle subatomaire deeltjes, welke alle materie vormen, uit elkaar vallen. Wat overblijft zijn alleen maar fotonen, welke steeds verder en verder bij elkaar vandaan raken. Totdat uiteindelijk zelfs het vacuüm uit elkaar getrokken wordt en er niets meer is.

Big Freeze

Gelukkig voor ons is uit later onderzoek gebleken dat er inderdaad een 1:1 verhouding is. We zullen dus niet te maken krijgen met een big rip. De kans wordt steeds groter dat we te maken krijgen met een big freeze, wetenschappers hebben hier zelfs een hele tijdlijn voor kunnen maken.

Tijdens de big freeze zullen alle sterrenstelsels intact blijven, maar ze gaan wel steeds verder bij ons vandaan staan. Uiteindelijk zullen er geen nieuwe sterren meer gevormd worden, omdat er geen gas en stof wolken meer zijn. Dan zullen de sterren uiteindelijk door hun brandstof heen zijn. Over 100 biljoen jaar zullen als eerst de grootste sterren sterven, aangezien deze sneller door hun brandstof heen gaan, met een enorme explosie (supernova). Hieruit ontstaat dan een zwart gat. Daarna zullen sterren zoals onze zon groeien tot rode reuzen en daarna vergaan tot witte dwergen. Welke nog voor zo’n 10 miljard jaar zal blijven gloeien, totdat deze afkoelen tot een zwarte dwergen. Het universum zal dan steeds roder worden, omdat alleen de meest rode sterren overblijven. Deze sterren verbranden hun brandstof heel langzaam, tot deze na zo’n 10 biljoen jaar hun brandstof hebben verbruikt.

Black_Hole_Merger

Twee zwarte gaten ‘eten’ elkaar op, een fenomeen dat veel voor gaat komen in het tijdperk van de zwarte gaten. Credit: NASA

 

Het enige dat dan nog overblijft zijn zwarte gaten en wolken van gas en stof die om deze zwarte gaten zullen draaien. Het tijdperk van de sterren gaat over in het tijdperk van de zwarte gaten. Uiteindelijk zullen deze zwarte gaten elkaar ‘opeten’ en steeds groter worden. Objecten die niet worden opgeslokt door de zwarte gaten zullen uiteindelijk zelf vergaan, wanneer hun protonen uiteenvallen. Dit duurt heel erg lang, maar uiteindelijk zullen dan echt alleen nog zwarte gaten overblijven. Over een periode van quadriljoenen jaren zullen ook deze zwarte gaten vergaan. Wanneer het laatst overgebleven zwarte gat kleiner en kleiner wordt, zal deze uiteindelijk in een explosie van gammastraling exploderen en blijft er niets over.

Alternatief einde

Het universum zal stevent af op een big freeze, welke quadriljoenen jaren zal duren. Maar de kwantumfysica biedt een dodelijk alternatief einde… Een einde waarin alles voorbij is voordat je met je ogen kan knipperen. Het grootste gevaar is dat het morgen al kan gebeuren. Het heeft allemaal te maken met het fenomeen genaamd faseovergang (zie filmpje). Als we water afkoelen verandert dit in ijs, de eigenschappen van water veranderen dan. Water verandert in ijs als het energie verliest en in waterdamp als het energie wint. Dit proces noemen we faseovergang. Een faseovergang kan ook plaatsvinden in vacuüm.

Het is dus mogelijk dat de energie van het vacuüm vrijgelaten wil worden in een faseovergang. In dat geval veranderen de eigenschappen van het vacuüm en dus ook de natuurkundige wetten. Een kleine glitch in vacuüm zou een faseovergang in gang kunnen zetten en het huidige universum kunnen overschrijven met een nieuw universum.

We weten dit omdat het al eerder is gebeurd…

Het universum zag er vlak na de oerknal anders uit dan nu, er was geen materie, geen tijd en heel heet. De natuurkundige wetten waren toen ook anders. Tot in minder dan een triljoenste van een seconde na de oerknal een kleine bubbel, van het hedendaagse universum, een faseovergang veroorzaakt. Al het oude universum werd vervangen door het nieuwe universum, net als ijs dat door water racet. Het oude universum gaf zijn energie aan het nieuwe universum, maar niet alles. Misschien is die achtergebleven energie wel de donkere energie.

Wetenschappers denken dat in de toekomst weer zo’n glitch kan ontstaan, welke het hele universum zal vernietigen. Wij zullen er niets van merken, omdat de bubbel met de snelheid van het licht op ons afkomt. Daarnaast zullen we op het moment dat de bubbel ons raakt meteen vernietigd worden.

We kunnen niet voorspellen wanneer deze faseovergang zal gebeuren, maar we kunnen wel een waarschijnlijkheid en ratio voorspellen. Gebeurt het eens in de 10 miljard jaar of eens in de 100 septiljoen jaar. Zo is het onwaarschijnlijk dat het morgen of volgend jaar gebeurd, maar het is wel mogelijk.

Kortom, we dachten te weten hoe het universum zou eindigen, namelijk in een big crunch. Helaas voor ons had het universum nog een verrassing voor ons en lijken we nu af te stevenen op een big freeze, maar een faseovergang is ook heel goed mogelijk, al zal dat niet morgen gebeuren. En wie weet, misschien wordt er in de nabije toekomst wel nog een mogelijkheid ontdekt.

Vragen? Stel ze hieronder.

Bronnen:
– How the Universe Works Seizoen 3 Aflevering 2
Wikipedia.org

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *

* Checkbox voor de AVG is verplicht

*

Ik ga akkoord