Nederlandse Vereniging voor Weer en Sterrenkunde, afd. Arnhem De Oorsprong Van Het Heelal Een kosmische reis door ruimte en tijd Nederlandse Vereniging voor Weer en Sterrenkunde, afd. Arnhem

Overzicht cursusavond 8 Het nabije Heelal Lokale groep, Virgo Supercluster “Great attractor” Expansie van het Heelal roodverschuiving, wet van Hubble expansie zoals beschreven in de relativiteitstheorie Revolutie in de kosmologie (versnelde) expansie en donkere energie De Oerknal kosmische achtergrondstraling 13,7 miljard jaar evolutie van het Heelal Millenium simulatie

Het nabije Heelal

De Melkweg Wij zijn hier!

Ons Melkwegstelsel diameter Melkweg: ca. 100.000 lichtjaar dikte Melkweg: ca. 4.000 lichtjaar afstand Zon tot centrum Melkweg: ca. 26.000 lichtjaar Positie Zon in Melkweg: In één van de spiraalarmen: Orion arm omlooptijd Zon rond centrum Melkweg: ca. 225 miljoen jaar met snelheid van ca. 217 km/sec Melkweg heeft > 10 satelliet stelsels o.a. grote en kleine Magelhaense wolken, Sagittarius stelsel

Lokale Groep Melkwegstelsel maakt deel uit van relatief kleine groep sterrenstelsels: De Lokale Groep Belangrijkste stelsels in Lokale Groep: Andromeda (M31) (ons) Melkwegstelsel Triangulum (M33) (=driehoekstelsel) Totaal > 40 sterrenstelsels in Lokale Groep

Lokale Groep

Andromeda (M31) Afstand: ca 2.5 miljoen lj Diameter: ca. 140.000 lj Ca. 14 satellietstelsels o.a. M32 en M110 Ca. 300 miljard sterren Dubbele kern: P2: “echte kern”: zwart gat met 100 milj zonsmassa’s P1: heldere schijf van sterren in excentrieke baan rond P2

Triangulum (M33) Afstand: ca 3 milj. lj Diameter: ca. 50.000 lj Satelliet van Andromeda? Blauwe punten: Sterrenhopen Roze punten: stervormings-gebieden NGC604: helder stervomings-gebied

Lokale Groep Diameter van lokale groep: ca. 5 miljoen lichtjaar ( = relatief klein, clusters doorgaans 2 X groter) Andromeda en Melkweg bewegen naar elkaar toe met ca. 120 km/sec (blauwverschuiving) Triangulum: verst weggelegen object (3 miljoen lj) nog zichtbaar met blote oog (m = 5.7) Melkweg beweegt (met hele groep) richting Virgo cluster met relatieve snelheid 300 km/sec

M81 groep NGC 3077 M81 M82 Afstand: ca. 12 miljoen lj Bevat 34 sterrenstelsels! (o.a. M81, M82, NGC3077)

Fornax cluster Afstand: ca. 60 miljoen lj Bevat 54 sterrenstelsels! (o.a. NGC1316, NGC1399)

Virgo cluster Afstand: ca. 60 miljoen lj bevat 1300 tot 2000 sterrenstelsels! (o.a. M84, M86, M87) Centrum van Virgo Supercluster Stelsels kunnen soms hoge relatieve snelheden hebben, tot wel 1600 km/s

Van clusters en groepen naar superclusters Meerdere clusters vormen samen weer nog grotere structuren in het universum: superclusters Clusters van sterrenstelsels worden bijeen gehouden door zwaartekracht (viriaal gestabiliseerd) (net als individuele sterrenstelsels en planetenstelsels) Superclusters zijn niet “viriaal gestabilisiseerd”, en zijn dus nog aan het vervormen. De Lokale groep, de M81 groep en de Virgo en Fornax clusters maken deel uit van Virgo Supercluster

Virgo Supercluster

Virgo Supercluster Diameter van supercluster: ca. 200 miljoen lichtjaar Bestaat uit ca. 100 clusters en groepen (waaronder Lokale Groep) De Virgo Cluster is de belangrijkste cluster. Ca. 6600 sterrenstelsels Massa: 1015 zonsmassa’s! (grootste deel bestaat uit donkere materie) De Virgo Supercluster is een onbeduidende, nogal lege supercluster De Virgo Supercluster heeft meerdere superclusters als buren: o.a. Centaurus, Norma, Pavo, Coma, Hydra.

Omgeving van Virgo super cluster

Centaurus Wall or “Great Wall” & “Great Attractor” Verschillende nabije superclusters, waaronder ‘onze’ Virgo Supercluster zelf, vormen een muur van superclusters: De Grote Muur In de Grote Muur ligt ook een grotendeels onzichtbare attractor: “Great Attractor”: Niet goed zichtbaar, afgeschermd door band van de Melkweg “zone of avoidance” Gedacht wordt aan Norma Cluster op grensvlak “Grote Muur” en Norma Supercluster Geschatte massa = massa 0,5 miljoen sterrenstelsels Op een afstand van 250 miljoen lichtjaar (laatste schatting) Grootte = 400 miljoen lichtjaar Relatieve snelheid waarmee ‘wij’ worden aangetrokken: van 600 km/s tot ca. 1000 km/s

Het lokale Heelal Verdeling clusters en superclusters tot max. afstand van ca. 1.3 miljard lj. Verschillende kleuren geven verschillende afstanden aan!

Zelfde figuur maar nu met labels Zie ook filmpjes!

Expansie van het Heelal

Bepaling van Afstanden tot en Snelheden van sterrenstelsels Afstanden herleiden uit helderheid van “standaardkaarsen” zoals: variabele sterren supernova’s Snelheden herleiden uit roodverschuiving roodverschuiving ontstaat door Doppler effect

Doppler effect voor geluidsgolven De toonhoogte van een naderende trein is verhoogd. De toonhoogte van een trein die zich verwijdert is verlaagd. Ditzelfde verschijnsel doet zich ook voor bij licht! Een lichtbron die op ons afkomt is blauw-verschoven. Een lichtbron die van ons af beweegt is rood-verschoven.

Roodverschuiving Spectraallijnen in het licht van verre sterrenstelsels (door bijvoorbeeld emissie of absorptie van atomen) zijn verschoven naar een langere golflengte. Dit heet roodverschuiving. of:

Wet van Hubble v = H*d H = de Hubble constante Naarmate een sterrenstelsel verder van ons af staat, is zijn verwijderingssnelheid groter! Edwin Hubble was de belangrijkste pionier bij het in kaart brengen van sterrenstelsels buiten de Melkweg. Hij stelde vast dat vrijwel alle sterrenstelsels zich van ons af bewegen! Ofwel: het Heelal expandeert!

Snelheden en Roodverschuiving Doppler twee vormen van de Wet van Hubble H = ca. 72 km/s per Mpc NB: De wet van Hubble is geldig tot een roodverschuiving van ca. z = 0,2. Een roodverschuiving van z = 0,2 komt overeen met een afstand van ongeveer 2,7 miljard lichtjaar. De verwijderingssnelheid van een cluster op een afstand van z = 0,2 is ca. 60.000 km/s (2/10e van de lichtsnelheid!).

Gravitatie versus expansie De Aarde en Zon staan op een afstand van 150 miljoen km. Volgens de Wet van Hubble zou de expansie tussen beide hemellichamen ca. 0,35 μm/s bedragen. Volstrekt verwaarloosbaar! Aantrekkingkracht tussen Aarde en Zon is verreweg dominant. Op korte afstanden is de wet van Hubble niet bruikbaar! Andromeda en de Melkweg staan op onderlinge afstand van ca. 2,5 miljoen lj = ca. 0,77 Mpc. Volgens de wet van Hubble moeten de stelsels uit elkaar bewegen met een snelheid van 0,77 * 72 = ca. 55 km/s. In werkelijkheid komen ze op elkaar af met een snelheid van 120 km/s! Onderlinge snelheid wordt bepaald door: expansie Heelal (wet van Hubble) ‘Hubble flow’ onderlinge aantrekkingskracht (Newton/Einstein) ‘peculiar motion’

Expansie van het Heelal De expansie van Heelal is door Hubble (in 1929) onomstotelijk bewezen ..... In alle richtingen zien wij sterrenstelsels van ons af bewegen! MAAR: Wat betekent dit voor onze positie in het Heelal? Bevinden wij ons in het centrum ervan?

Expansie in de relativiteitstheorie In de Algemene Relativiteitstheorie wordt de expansie niet beschreven door een expansiesnelheid van de materie zelf, maar door een expansie van de ruimte ertussen! Vergelijk: een ballon (met stippen) die wordt opgeblazen een rubbermat die wordt gerekt: punten op de mat bewegen zich hierdoor uit elkaar zonder zelf een snelheid te hebben! een rozijnenbrood dat rijst in de oven

Gezichtspunt vanuit stelsel A B A Gezichtspunt vanuit stelsel A

Gezichtspunt vanuit stelsel B

Roodverschuiving en expansie Kosmologische roodverschuiving Interpretatie van kosmologische roodverschuiving: De roodverschuiving z van een lichtbron: z+1 is de vergrotingsfactor van het Heelal tussen het moment waarop licht is uitgezonden en het moment waarop licht wordt ontvangen. voorbeeld: als z = 2, dan was het Heelal op het moment waarop licht werd uitgezonden 3 keer zo klein als heden.

Roodverschuiving Expansie van het Heelal veroorzaakt roodverschuiving, de zgn. kosmologische roodverschuiving. Maar er zijn meer oorzaken voor roodverschuiving! Doppler roodverschuiving veroorzaakt door onderlinge beweging van sterrenstelsels t.g.v. gravitatiekrachten (“peculiar motion”) Gravitationele roodverschuiving veroorzaakt door ontsnappen van licht aan massa (relativiteitstheorie)

Revolutie in de kosmologie

Open of gesloten Heelal? Decennia lang hebben kosmologen zich bezig gehouden met de vraag of het Heelal zich voor altijd blijft expanderen (open Heelal) of uiteindelijk, onder invloed van gravitatiekracht, weer samentrekt tot een ‘omgekeerde’ Big Bang. Het criterium voor het al dan niet gesloten zijn van het Heelal is de totale massa van het Heelal, of, nog beter, haar dichtheid! Hoe groter de massa/dichtheid, hoe sneller de expansie wordt geremd en hoe groter de kans op een gesloten Heelal.

1998: Revolutie in de kosmologie (1) In een poging om de totale massa van het Heelal te leren kennen zijn twee (onafhankelijke) onderzoeksgroepen op het idee gekomen om de vertraging van de expansiesnelheid te meten! Hoe groter de vertraging, hoe groter de massa van het Heelal! Aanpak: Focusseer op supernova-explosies (type Ia) op zeer grote afstand. (supernova’s in binaire stersystemen door onderling massatransport) Hiervan is de absolute helderheid bekend. (“standaardkaars”) Meet de relatieve helderheid. Uit het verschil tussen relatieve en absolute helderheid kan de afstand worden afgeleid. Resultaat: afstand = d Meet ook de roodverschuiving van het licht van de supernova. Resultaat: z

1998: Revolutie in de kosmologie (2) Als de expansie altijd even groot is geweest (met huidige Hubble constante H0), dan zou de afstand volgen uit: Bij een vertraging van de expansie zal de Hubble constante vroeger groter zijn geweest dan nu, m.a.w. de effectieve Hubble constante in bovenstaande formule is groter, en daarom zal (naar verwachting) de werkelijke afstand (d) kleiner zijn dan de Hubble afstand dHubble! Echter, men vond in 1998 (en ook in de jaren daarna): De expansie in Heelal gaat steeds sneller!

Versnelde expansie van het Heelal Voor versnelde expansie bestaat geen verklaring. In de natuurkunde / astronomie zijn geen ‘krachten’ of ‘krachtvelden’ bekend die de gravitatiekracht tegenwerken en de materie als het ware uit elkaar duwen. Versnelde expansie wordt ook niet verklaard of voorspeld door de algemene relativiteitstheorie, maar kan er wel door worden beschreven! De energie die nodig is om het Heelal versneld te laten expanderen wordt ook wel “donkere energie” genoemd.

Donkere materie en donkere energie De versnelling in expansie begon ca. 5-6 miljard jaar geleden. Vanaf dat moment kreeg de anti-zwaartekracht van donkere energie de overhand boven de gravitatiekracht van de donkere materie. A

Donkere materie en donkere energie 4 % baryonische (gewone) materie bestaat voornamelijk uit heet waterstofgas (hiervan wordt slechts een klein deel waargenomen). Alle sterren en planeten samen vormen slechts 0,01% tot 0,1% van alle massa/energie in het universum! De rest is onbekend!

De Oerknal “Why it is we and the universe exist? If we find the answer to this question, it would represent the ultimate triumph of human mind - for we would, then, know the mind of God." Stephen W. Hawking

Waarnemen van het Heelal is kijken in de geschiedenis van het Heelal Door steeds dieper in het Heelal te kijken, kijken we steeds verder terug in de geschiedenis van het Heelal. Astronomen kunnen de geschiedenis van het Heelal dus bijna letterlijk aan zich voorbij zien trekken! Het meest ver weg gelegen sterrenstelsel (tot nu toe) op een afstand van >> 10 miljard lj. Het stelsel zoals het eruit zag meer dan 10 miljard jaar geleden! De Zon op 8 lichtminuten = ca. 150 miljoen km De Zon zoals deze er 8 minuten geleden uitzag Andromeda op ca. 2,2 miljoen lichtjaar afstand Andromeda zoals het stelsel er 2,2 miljoen jaar geleden uitzag

Een gemeenschappelijk begin ... Waarnemingen diep in het Heelal laten duidelijk een begin zien: De eerste sterren ... De eerste sterrenstelsels ..... zijn niet veel ouder dan 10 miljard jaar. Conclusie: het Heelal heeft ‘een begin’ gehad. In alle richtingen waarin we kijken ziet het Heelal er hetzelfde uit. In alle richtingen zien we ook dezelfde ontwikkeling van het universum. Het Heelal is isotroop en homogeen: kosmologisch principe! Vanuit alle richtingen ontvangen we ‘dezelfde’, overheersende achtergrond-straling. Conclusie: het moet een gemeenschappelijk begin zijn geweest.

Homogeen en isotroop Isotroop, maar niet homogeen Homogeen maar niet isotroop

Kosmische achtergrondstraling Engels: CMB: cosmic microwave background radiation Microgolf straling uit het jonge Heelal, toen er nog geen sterren waren gevormd. Het Heelal bestond toen uit een hete brij (ca. 3000 K) van elektronen, protonen en neutronen. Hierbij werd warmtestraling uitgezonden als van een “zwart lichaam” met een temperatuur van 3000 K! Door de expansie van het Heelal sinds dat moment, is de golflengte van deze straling verlengd (naar het ‘rood’ verschoven), en de straling is nu die van een “zwart lichaam” die een temperatuur heeft van slechts 2,725 K. De roodverschuiving is z = 1088, en is dus afkomstig uit het Heelal toen het meer dan 1000 keer kleiner was dan nu.

Kosmische achtergrondstraling Er is een overvloed van ca. 415 fotonen achtergrondstraling per cm3. Het aantal van alle fotonen van alle sterren samen (ooit) is daarentegen volkomen verwaarloosbaar! De kosmische achtergrondstraling veroorzaakt ca. 1% van de ruis bij televisie-ontvangst!

Kosmische achtergrondstraling WMAP satelliet Wilkinson Anisotropy Microwave Probe De temperatuur van de CMB zoals die in alle richtingen vanuit de Aarde wordt waargenomen! De temperatuur is overal 2, 725 (K) met minieme fluctuaties van slechts 0,001 (K).

Big Bang theorie Big Bang: Heelal is ontstaan uit één grote knal! Kosmische achtergrondstraling is HET belangrijkste bewijs voor de Big bang theorie. Ze werd al eind jaren veertig voorspeld (o.a. door Gamov, Alpher, Herman) maar uiteindelijk per toeval ontdekt door Pensias en Wilson in 1965. Big Bang: Heelal is ontstaan uit één grote knal! De Oerknal

Energie dichtheden in Universum Materie (zowel gewone materie als donkere materie) dichtheid daalt door expansie: ρmaterie ~ R-3 Stralings-energie (fotonen, licht, kosmische achtergrondstraling) dichtheid daalt door expansie: ρstraling ~ R-4 Donkere energie (vacuüm energie) dichtheid is constant (ook tijdens expansie van Heelal)

Straling, materie en donkere energie

Het Standaardmodel Leptonen en quarks zijn elementaire (ondeelbare) deeltjes. 6 leptonen 6 quarks

Protonen en neutronen proton: 2 “up” quarks en 1 “down” quark neutron: 2 “down” quarks en 1 “up” quark

elektromagnetische kracht sterke wisselwerking elektromagnetische kracht Quarks en Leptonen ‘voelen’ 4 fundamentele krachten gravitatiekracht zwakke wisselwerking

Lawrence Berkeley National Laboratory http://particleadventure.org/index.html An award winning interactive tour of quarks, neutrino’s, antimatter, extra dimensions, dark matter, accelerators and particle detectors from the Particle Data Group of the Lawrence Berkeley National Laboratory

en dan nu .... De Oerknal 0 – 10-43 seconde (T = 1032 K) Over deze periode bestaat er geen theorie. Hier zijn de relativiteitstheorie en de kwantummechanica niet verenigbaar, Het wachten is op een “kwantumgravitatie”-theorie, die beide theorieën met elkaar verbindt. vanaf 10-36 seconde tot 10-34 seconde : inflatie theorie Inflatie: Universum expandeert met een enorme snelheid en wordt wel met een factor 1050 groter, maar het zichtbare heelal is dan nog steeds maar ter grootte van een grapefruit.

De eerste fractie van een seconde .... na de oerknal rond 10-32 seconde Het Heelal is een rijke soep van elementaire deeltjes (materie en anti-materie). De botsingen tussen de deeltjes zijn zo energierijk (hoge temperatuur) dat zware leptonen en quarks voorkomen. Voor de beschrijving van elementaire deeltjes en hun wisselwerking wordt het Standaardmodel gehanteerd. rond 10-5 seconde (T = 1000 miljard graden) Quarks verenigen zich tot protonen en neutronen. Materie en anti-materie annihileren, maar er blijft een klein beetje materie over.

Tijdens de eerste seconde ... Ontvlechting van de 4 fundamentele krachten: Men vermoedt dat direct na de oerknal de vier fundamentele krachten in feite één kracht-veld vormden dat beschreven kan worden door één universele theorie: De theorie van het alles Voor samenvoeging van de sterke en zwakke wisselwerking en de elektromagnetische kracht is er al een theorie: GUT = Grand Unified Theory: Door afkoeling van het Heelal werd de symmetrie verbroken en ontstonden de vier fundamentele krachten als afzonderlijke krachtvelden.

Large Hadron Collider Deeltjesversneller 27 km lang op 50 tot 150 meter diepte op grens van Frankrijk en Zwitserland pakketjes van ca. miljard protonen circulatiesnelheid van 11.000 rondjes per seconde (ca. lichtsnelheid) 600 miljoen botsingen per seconde simulatie Oerknal na biljoenste seconde

De eerste ca. 20 minuten ...... kernfusie Al na 1 seconde is een hete soep van protonen, neutronen en elektronen ontstaan bij zeer hoge temperatuur: 15 miljard graden. Deze omstandigheden geven aanleiding tot kernfusie (vergelijk de situatie in sterkernen) Echter: de omstandigheden veranderen razendsnel door de expansie: de temperatuur en dichtheid nemen snel af en ca. 20 minuten na de Big Bang stopt de kernfusie al. Deze fase wordt zeer goed begrepen: Er zou ca. 24 massa% helium moeten zijn ontstaan tegen 76 massa% waterstof. Daarnaast nog een heel kleine hoeveelheid lithium en deuterium. Deze verhoudingen worden overal teruggevonden in gaswolken in het Universum: Dit is één van de krachtigste steunpilaren van de Big Bang theorie

Het Heelal wordt transparant : licht kan ontsnappen. Na 380.000 jaar ...... transparantie Na de kernfusie periode blijft het Heelal vele honderdduizenden jaren lang expanderen en afkoelen. Tot ca. 380.000 jaar na de Big Bang. De temperatuur is dan gezakt tot ca. 3000 K. Elektronen recombineren met atoomnuclei tot neutrale atomen. Vrije elektronen verdwijnen dus. Tot 380.000 jaar na de Big Bang waren alle elektronen vrij bewegende deeltjes die sterke interactie hadden met fotonen. M.a.w. licht kon niet ontsnappen uit de mist van elektronen. Na recombinatie (380.000 jaar na Big Bang): Het Heelal wordt transparant : licht kan ontsnappen. De kosmische achtergrondstraling bestaat uit het licht dat bij deze recombinatie is vrijgekomen. Vanaf dat moment evolueerden straling en materie onafhankelijk van elkaar.

Tot 100 / 200 miljoen jaar na de Big Bang ...........“Dark Ages” De kosmische achtergrond-straling komt als een ‘flits’ vrij. Het neutrale waterstof en helium zendt geen licht uit, althans: een heel klein beetje. Doordat de spin in waterstof atomen kan verspringen, wordt laag energetische 21 cm straling uitgezonden. Dat zou nu bij ons aan moeten komen als radiostraling met een golflengte van ongeveer 210 meter. Een mooi probleem voor de radioastronomie (LOFAR). De Dark Ages hebben hun geheimen nog niet prijs gegeven, materie klonterde samen , maar hoe? wat was er eerder: stelsels of sterren? hoe vormden zich de eerste zwarte gaten?

Kleine temperatuurfluctuaties verraden kleine dichtheidsfluctuaties in de materie op het moment de achtergrondstraling ‘vrij’ kwam. Deze dichtheidfluctuaties zijn uitgegroeid tot de structuren (superclusters en filamenten van superclusters) die we momenteel in universum waarnemen. Hier speelde donkere materie een belangrijke rol: de klontering van donkere materie was aanvankelijk sterker dan die van gewone materie.

Einde van de Dark Ages ..... Re-ionisatie Het einde van de Dark Ages werd veroorzaakt door energierijke fotonen die het neutrale waterstof weer opnieuw ioniseerden. Waar kwamen deze fotonen dan vandaan? de UV-straling van de eerste jonge sterren of de röntgenstraling van de eerste zwarte gaten. Feit is dat we vanaf het moment van re-ionisatie weer kunnen zien hoe het Heelal verder evolueerde.

Millennium simulatie artikel in Nature (2005) over grootschalige numerieke simulaties van de ontwikkelingen van grote structuren in het Heelal een samenwerking tussen Duitse, Canadese, Engelse en Amerikaanse astrofysici 1e auteur: Volker Sprengel (Max Planck Instituut Duitsland) Een (huidig) Heelal volume in een kubus van 2,3 miljard kubieke lj. !! Dit volume wordt gevolgd van z = 127 (dus toen het volume van dit Heelal nog een factor 128 kleiner was dan nu) tot z = 0 (heden). Hardware: IBM P690 supercomputer met 512 processoren. Voor de Millenium simulatie waren 350.000 processor-uren nodig ofwel 28 volledige dagen.

Millennium simulatie Ontwikkeling Heelal ‘grote’ schaal: 2 miljard lichtjaar dikte vd schijf: 70 miljoen lichtjaar 4,7 miljard jaar na Big Bang z = 1,4 1 miljard jaar na Big Bang z = 5,7 NU: 13,7 miljard jaar na Big Bang z = 0 210 miljoen jaar na Big Bang z = 18,3

Millennium simulatie Ontwikkeling Heelal ‘kleine’ schaal: 150 miljoen lichtjaar dikte vd schijf: 70 miljoen lichtjaar 4,7 miljard jaar na Big Bang z = 1,4 1 miljard jaar na Big Bang z = 5,7 NU: 13,7 miljard jaar na Big Bang z = 0 210 miljoen jaar na Big Bang z = 18,3

Millennium simulatie Filmpje 1 Een overzicht van de berekende structuur van het (huidige) Heelal. Van afmetingen van vele miljarden lichtjaren tot ca. 50 duizend lichtjaar en weer terug. Filmpje 2 Een ontdekkingsreis door het (huidige) Heelal met een passage rondom een rijke cluster. In de totale reis wordt een afstand afgelegd over welke het licht 2,5 miljard jaar zou doen.

Fin

Relativistische roodverschuiving Relativistische Doppler Doppler