het Multiversum een heelal gevuld met andere werelden Deel I: ons eigen heelal dijt steeds sneller uit John Heise, SRON-Ruimteonderzoek Nederland in Utrecht test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff HOVO2016, Utrecht 12 feb 2016

met logaritmisch schaalfactor voor de afstand het waarneembare stuk v/h heelal is een minieme bubbel in de totale kosmos horizon wij melkweg melkwegstelsels kosmische web test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff kosmische achtergrond- straling xx Oerknal (te zien in alle richtingen) met logaritmisch schaalfactor voor de afstand

de oerknal in alle richtingen kartografie kartografie Vertekening: verderweg lijkt er meer ruimte, maar dat is niet zo vergelijk Mercator-projectie van de Aarde: noordpool (punt) wordt een lijn, poolgebieden zijn veel te groot drie soorten isotrope werelden bij homogene verdeling test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff "vlakke" ruimte, verder weg zoals intuitief verwacht "bolvormige" ruimte: verder weg "minder"; in een uitdijend heelal zien wij de wereld zo Escher: "hyperbolische" ruimte: verder weg "meer" xx

er is veel meer dan we zien en dat kan totaal anders zijn gangbare opvatting: Oerknal is ontstaan door inflatie essentie van het Multiversum: zo'n begin kan ook vroeger of later elders in het heelal toeslaan: beter nog: het stoppen van inflatie is een toevalsproces: er blijven ook plekken weer doorgroeien en opnieuw beginnen chaotische inflatie en eeuwige inflatie? Multiversum: het heelal is maximaal inhomogeen, Wij leven niet in het centrum van ons universum, maar zelfs ons universum is niet het centrum van een multiversum test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff we leven in een stukje dat gelijkmatig geworden is door de exponentiele expansie van de inflatie xx

Ontwikkelingen in de 21e eeuw(1) ● ~1998 uitdijing heelal blijkt versneld: exponentieel toenemende uitdijingsnelheid ● er is een nieuw effect werkzaam: donkere energie, maar niemand weet wat dat is ● verklaring: de lege ruimte heeft energie: vacuum-energie en dat levert de voortstuwing tegen de zwaartekracht in test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff ● Nieuwe component in het heelal: scalaire velden, zoals het Higgs-veld, recent bevestigd xx

Ontwikkelingen in de 21e eeuw(2) ● scalaire velden dragen ook bij aan de vacuum-energie energie v/h vacuum  waarde van het veld  die is onbekend maar kan varieren Iedere waarde van de vacuum-energie, levert een ander heelal-mode op bij elkaar heten die universa Het Kosmisch Landschap test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff xx

multiversum Pessimist: Optimist (o.a. Allen Guth, André Linde): Ieder deel van het multiversum is zo groot dat je de andere delen nooit zal kunnen zien. Het is dus onmogelijk te bewijzen dat we in een multiversum leven Optimist (o.a. Allen Guth, André Linde): Ieder deel van het multiversum is zo groot dat je de andere delen nooit zal kunnen zien. test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff Het is dus onmogelijk te weerleggen dat we in een multiversum leven xx

multiversum ná de inflatie ontstaat de Hete Orknal, waarin pas later ná afkoeling door verdere uitdijing de elementaire deeltjes en hun interacties ontstaan, die bepaald worden door schijnbaar "toevallige" natuurconstanten, zoals Newton's zwaartekracht-constante het is denkbaar dat die anders uitpakken in andere bubbels Antropisch princiepe: wij leven in een heelal met voldoende complexiteit en lange tijdschalen om leven te genereren, de meeste bubbels zijn levensloos test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff xx

Inhoud dit HOVO-programma I 'gewone' kosmologie II Inflatie/ de lege ruimte III, Euwige inflatie, het Multiversum Aan de orde komen, o.m.: -vacuum-energie, scalaire velden test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff "de Sitter ruimte" Antropisch principe xx

I. Samenvatting van de 'gewone' kosmologie test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff xx

Waarneming & theorie -heelal zou moeten instorten (Newton 17e eeuw) Nodig: 1. waarnemingen (bv heelal gevuld met materie) Nodig: 2. theorie: -op grote schaal overheerst zwaartekracht -zwaartekracht is altijd aantrekkend  -heelal zou moeten instorten (Newton 17e eeuw) -meer in het algemeen: (Friedman 20e eeuw) ● zou moeten bewegen (uitdijen of instorten) ● het heelal dijt uit omdat t zo begon test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff  statisch heelal is onmogelijk  er is een begin geweest xx

wat nemen we waar? ● in alle richtingen gemiddeld hetzelde: isotroop het waarneembare heelal: wat nemen we waar? ● in alle richtingen gemiddeld hetzelde: isotroop ● als wij niet middelpunt  heelal is gemiddeld homogeen ● het heelal dijt uit, Hubble-expansie, v= H r ● expansie-geschiedenis: nu versnelde uitdijing test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff xx

Hubble expansie: de ruimte zelf dijt uit en koelt af hoe verder weg des te sneller snelheid v op afstand r : waarneembaar: hoe verder weg des ● groter de roodverschuiving, ● langzamer de tijd voortschrijdt, ● meer sterrenstelsels per (lichtjaar)3 temperatuur neemt af door uitdijing, dus: hoe verder weg (waar we het vroege heelal zien) des te heter het is v = H r Wet van Hubble nog verder weg en we zien de hete oerknal zelf HOVO 11-02-2016

Hete oerknal: voorspellingen die uitkomen ● ooit zo heet als in ster-inwendige: dat zien we (Big Bang Nucleosynthesis), helium-vorming (He,Be, Li, in 1e 3 minuten) : ● later (na 380 000 jaar) koel genoeg voor overgang ondoorzichtig naar transparant. grens te zien als achtergrondstraling: zeer homogeen heelal (1 op 100 000) microgolven (magnetron- golflengte ~ 1 cm) ● korreligheid in achtergrondstraling: begin van struktuur  instorting tot sterren en sterrenstelsels Op 500 miljoen lichtjaar "Baryon Acoustic Oscillation" ● we zien nu de tot 500 miljoen lichtjaar opgeblazen korrel waaruit wij ontstaan zijn ● alle bewijzen van evolutie v.h. heelal (bv verrijking van materie met meer metalen) HOVO 11-02-2016

expansie (1) Δx = 10 cm schaal a = 100000 stel aarde expandeert zelfde kaart te gebruiken; alleen verandert de schaal a schaal a = 100000 echte afstand r = a.Δx = 100000 x 10 cm = 10 km de groei in a noemen we ȧ alle afstanden r worden groter; we zien Zeist en Utrecht met een zekere snelheid v uit elkaar gaan (v is de verandering in r) test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff

v = H r schaalfactor a Wet van Hubble stel schaalfactor a(t) hangt van de tijd t af (aarde zwelt op) verandering (groei) in a noemen we ȧ Δx verandering in de afstand (=de snelheid v) v = ȧ Δx afstand r = a Δx test1 aaaaaaaaaaaaaaa bbbbbbbbbbbbbbbbbbbb cccccccccccccccccccccccc ddddddddddddddddddddddddddddddd fffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffffff ffffffffff   v = H r Wet van Hubble  

grafiek voor de expansie (voor één vlak) kartografie Neem een 2-dimensionale ruimte (bijv. een vlak door het heelal op zeker tijdstip) 2de ruimtelijke richting 2de ruimtelijke richting 1ste ruimtelijke richting 1ste ruimtelijke richting HOVO 11-02-2016

Voorbeeld 1: de tijd-ruimte van eenstatisch heelal H=0, geen expansie kartografie (2de ruimtelijke dimensie) (1ste ruimtelijke dimensie) Plaatje van de tijdruimte (1 richting voor de tijd, hier 2 richtingen voor de ruimte) met Hubble-constante H = (geen groei van a dus ȧ= 0)   = 0 HOVO 11-02-2016

tijd tijd Een statich heelal (geen uitdijing) (waarin ook de tijd "relatief" is) kartografie tijd tijd HOVO 11-02-2016

Voorbeeld 2; de tijdruimte van een expanderend/contraherend heelal (in 2 dimensies) kartografie Contractie Expansie (2de ruimtelijke dimensie) (1ste ruimtelijke dimensie) met Hubble-constante H = ȧ > 0 voor expansie, ȧ < 0 voor contractie )   ≠ 0 HOVO 11-02-2016

tijd Heelal met alleen materie ruimte Friedman-Lemaitre (opvatting 20e eeuw) Friedman-Lemaitre Robertson-Walker heelalmodellen kartografie let op: afname van de groei ruimte HOVO 11-02-2016

hierna opmerkingen over de Hubble-constante 1. Hubble-tijd: relatie H tot de leeftijd van het heelal 2. Hubble straal: waar expansie de lichtsnelheid krijgt 3. Wat als de Hubble-constante echt constant in de tijd is HOVO 11-02-2016

Hubble’s wet en de leeftijd van het Heelal V = H x D snelheid afstand Hubble’s `constante’ HOVO 11-02-2016

Hubble’s wet en uitdijing sneller dan het licht op welke afstand d wordt de uitdijingsnelheid gelijk aan de lichtsnelheid c dus waar is v = c ? V = H x D snelheid afstand Hubble’s `constante’ als c = H x d dus voor d = c / H de "Hubble-straal" v.h. heelal HOVO 11-02-2016

Sneller dan het licht en soms toch te zien fiets = foton al is een lichtstraal nog zo snel, de uitdijing achterhaalt haar wel versneld uitdijend statisch heelal uitdijend heelal vertrekpunt buiten de Hubble-straal, maar door afnemende uitdijing foton toch te zien uitdijing sneller dan licht gebeurtenis is niet te zien, buiten de horizon HOVO 11-02-2016

H constant in de tijd, constante groei   dan kun je a(t) oplossen zoals spaargeld bij constante rente (constante groei)   tijd HOVO 11-02-2016

De Sitter heelal schaal a exponentieel snelheid v exponentieel versnelling exponentieel (naar buiten gerichtte kracht) een leeg heelal met constante H die je krijgt als er overal positieve vacuum-energie zou zijn tijd HOVO 11-02-2016

De Sitter heelal: een Zwart Gat binnenste buiten horizon bij de Hubble-straal xx HOVO 11-02-2016

Horizon De Sitter heelal HOVO 11-02-2016

versnelde punt W krijgt snelheid tot dichtbij de lichtsnelheid nadert steeds dichter tot de helling van lichtdeeltjes (bijna de lichtsnelheid) gaat steeds sneller: helling steeds groter HOVO 11-02-2016

Gebeurtenishorizon Vanaf zeker moment (bij ) worden de lichtflitsen niet meer waargenomen; ook omgekeerd communicatie onmogelijk HOVO 11-02-2016

Horizon in een De Sitter ruimte horizon bij de Hubble-straal W buiten de horizon (groene lijn, stippellijn) HOVO 11-02-2016

uitdijing bepaalt door zwaartekracht eerst m.b.v. Newtonse zwaartekracht HOVO 11-02-2016

expansie versus zwaartekracht met Newtonse zwaartekracht bol met straal r, massa M=volume x dichtheid=4/3 π r3 x ρ 1. materiedichtheid te groot: uitdijing draait tenslotte om (gesloten, eindig heelal: eindige duur) 2. dichtheid kritisch uitdijingsnelheid naar nul (vlak heelal) bij gemiddelde dichtheid van ~ 6 atomen per kubieke meter 3. dichtheid te klein: uitdijing voor altijd, open heelal: oneindig groot en oneindige duur v = H r H2 ~ ρ, expansie vs. inhoud   ontsnappingsnelheid   = 8/3 π G ρ HOVO 11-02-2016

Heelal opties lijken op snelheid versus zwaartekracht op Aarde voorbeeld: ontsnappingssnelheid uit zwaartekracht van de aarde dus drie mogenlijkheden: snelheid klein snelheid kritisch snelheid groot plus 4e mogelijkheid: motor blijft aan! HOVO 11-02-2016

type uitdijingsnelheden van het heelal ● Versnelde expansie ons heelal sinds 1998 ● Twee paralelle lijnen gaan uit elkaar twee paralelle lijnen blijven parallel twee paralelle lijnen naar elkaar toe HOVO 11-02-2016

NB: ook energie heeft zwaartekracht E= m c2, dus bij materiedichtheid ρ energiedichtheid E = ρ c2 maar er is meer! ook druk p oefent zwaartekracht uit Voor een gas met dichtheid ρ en druk p schijnbare paradox: hoe groter de druk in het heelal, hoe sterker de remmende werking negatieve druk: extra uitdijing (werkt tegen de zwaartekracht) donkere energie p = -ρ c2 (extra uitdijing als p < -1/3 ρ c2) HOVO 11-02-2016

H met relativiteitstheorie door de zwaartekrachtswet plus begin-voorwaarden 1916 de gravitatie-veldvergelijking van Einstein gravitatie-veld = G x materie-energie inhoud met G Newton's constante (de koppeling) de beweging (uitdijing/contractie) van het heelal wordt dus bepaald door de inhoud van het heelal 1924 herschreven door Friedman tot energie-vergelijkingen voor een homogeen heelal (de Friemann-vergl.) geeft formule H voor gegeven inhoud, materiedichtheid ρ HOVO 11-02-2016

Friedmann's energie-vergelijking voor een homogeen heelal   met en ȧ de groei in schaalfactor a Materie-en energiedichtheid (inhoud) bepalen expansie H 1e Friedmann vgl.. H2 ~ ρmaterie (met ρ dichtheid) 2e Friedmann vgl. voor de afremming bepaald door materie-dichtheid ρ plus 3x de druk p HOVO 11-02-2016

Heelal waarin tijd de lege ruimte energie heeft ΩΛ “Donkere energie” 21e eeuw) tijd ΩΛ “Donkere energie” laat het heelal versneld uitdijen ! let op: toename van de groei ruimte Het heelal is nu ouder dan het eerst leek ! HOVO 11-02-2016

Het beste heelal-model (Λ-CDM concordantie-model) ● Welke inhoud past het beste bij onze expansiegeschiedenis? ● alle parameters van het model uitgedrukt als percentages (t.o.v. de kritische dichtheid ρcrit ) Ωm voor materie ΩΛ voor donkere energie Λ (energie v.h. vacuum) ● Het beste model wordt het Λ-CDM concordantie-model (het Lambda-Cold Dark Matter model) genoemd ● Het past opmerkelijk goed bij alle waarnemingen HOVO 11-02-2016

kosmologische constante ΩΛ Heelal grijs: geen Oerknal versneld heelal kosmologische constante ΩΛ vertraagd heelal eeuwige uitdijing Instorting gesloten open materie-dichtheid Ωm HOVO 11-02-2016

gewicht van het universum Λ-CDM 69% donkere energie gewicht van het universum 26% donkere materie 100% van kritische energiedichtheid die een vlak heelal geeft 5% gewone materie waar moet het universum uit bestaan om de expansie-geschiedenis te begrijpen HOVO 11-02-2016