Kosmologie 2/…

Zoals in de vorige bijdrage beschreven is ongeveer 95% van de materie en energie in onze kosmos nog ongedefinieerd ofwel “dark“. Laten we eens kijken naar de pogingen die er door de eeuwen heen gedaan zijn om het ontstaan, en de samenstelling van, onze kosmos te begrijpen.

Een gravure uit het boek L’atmosphère: météorologie populaire uit 1888 van de Franse astronoom Camille Flammarion

In het boek waar bovenstaande gravure voor ontworpen is, staat een toelichting: “Un missionaire de moyen âge raconte qu’il avait trouvé le point où le ciel et la terre se touchent… (‘Een missionaris uit de middeleeuwen vertelt dat hij de plek heeft gevonden waar de hemel en de aarde elkaar raken…’)”.
Dit geeft een mooi beeld van de zoektocht waar ik het over wil hebben.

Vooraleer de mens zich een beeld wilde vormen van de kosmos, was hij geinteresseerd in het beeld van de aarde daarin.

Kosmologie en de Bijbel

In de Bijbel staat niets vermeld over de aarde als planeet of als bol. Het idee dat de aarde een bol was, werd ontwikkeld door de Grieken in de 6e eeuw voor onze jaartelling.

Genesis

In het boek Genesis wordt de aarde van voor de schepping voorgesteld als woest en leeg en de duisternis lag over de watervloed. De driedelige wereld van hemel, aarde en onderwereld dreef in Tehom, de mythologische kosmische oceaan, die de aarde bedekte totdat God het uitspansel op de tweede dag geschapen zou hebben om het water in hogere en lagere delen te verdelen. Water boven het uitspansel of gewelf en water onder het gewelf. Aan het gewelf, ook wel Firmament genoemd, zijn de sterren bevestigd en waarachter wind, regen en sneeuw gelegen waren.

De Griekse kosmologie

Rond de tijd van het hellenisme werd het geocentrische wereldbeeld van de Ionische natuurfilosoof Anaxagoras (500-428 v.Chr.) populair. Daarin stond de aarde onbeweeglijk in het centrum van het heelal en de zon, de maan en de planeten draaiden om de aarde. De hemellichamen werden verondersteld vastgemaakt te zijn aan doorzichtige ‘sferen‘ of bollen die in elkaar nestelden en door hun draaiingen de indruk van de banen der planeten en sterren gaven.

Anaxagoras’ kosmologie

Volgens Anaxagoras was de oorspronkelijke toestand van het universum een oerchaos, gebaseerd op de theorie van het apeiron (het Oneindige) bij Anaximander (610 – 547 v.Chr.) die de ‘vader van de kosmologie‘ wordt genoemd. Van hem zijn de stellingen afkomstig dat de banen van hemellichamen niet aan de horizon stoppen, dat de aarde zweeft in de ruimte en dat de hemellichamen op verschillende afstanden van de aarde staan. Latere filosofen namen die ideeën over, maar hielden vast aan de platteaardetheorie. Mogelijk bedacht Anaximander ook de notie van de draaiende sterrensfeer. Die is hoe dan ook een Griekse uitvinding en gaat niet terug op Babylonische voorstellingen

Anaxagoras stelde de oerchaos voor als een oneindig grote verzameling van ongedifferentieerde en ongestructureerde stoffelijke deeltjes, die hij Spermata noemde. Deze oerelementen hebben altijd reeds bestaan en er is in zijn kosmologie geen sprake van ontstaan of vergaan van de wereld. Belangrijk in dit opzicht is dat Anaxagoras als eerste filosoof een abstract filosofisch begrip heeft ingevoerd, namelijk de Nous (Geest). Deze Nous moet opgevat worden als een denkende, redelijke, almachtige, maar onpersoonlijke Geest. Dankzij deze geest is er uit de oer-chaos een welgeordende wereld ontstaan. Het lijkt er op dat Anaxagoras deze Nous alleen als een soort van onbewogen beweger beschouwt, die, na de eerste stoot gegeven te hebben, de schepping verder aan zijn lot overlaat.

Anaxagoras


Anaxagoras zocht overal zuiver natuurlijke, mechanische oorzaken. Omdat, volgens hem, in elke kiem alle kwaliteiten aanwezig zijn: Alles is in alles (Homoiomeria), is overgang van de ene stof in de andere mogelijk, doordat hij meer of minder van een bepaalde kwaliteit krijgt. Zo konden uit een veranderende samenstelling van verschillende oerdeeltjes alle stoffen en objecten gevormd worden. Ontstaan en vergaan zijn slechts schijn want de dingen veranderen slechts in compositie en inhoud.
Alle hemelse objecten waren volgens hem stoffelijk: de zon een gloeiende steen, de maan was een brok aarde. Dit was in tegenstelling tot de (religieuze) overtuigingen van die tijd. Plato liet, in zijn boek Apology, Socrates het volgende tegen Meletus, die Socrates beschuldigde van het volgen van de ideeën van Anaxagoras, zeggen:

My dear Meletus, do you think you are prosecuting Anaxagoras? Are you so contemptuous of the jury and think them so ignorant of letters as not to know that the books of Anaxagoras of Clazomenae are full of those theories, and further, that the young men learn from me what they can buy from time to time for a drachma, at most, in the bookshops, and ridicule Socrates if he pretends that these theories are his own, especially as they are so absurd?

Het boek van Anaxagoras (dat verloren gegaan is) was toen dus blijkbaar een koopje: je kon het al kopen voor één drachme!

Aristarchus en Ptolemaeus

Aristarchus (ca. 310 – 230 v.Chr.) ging in zijn boek Over de afmetingen en afstanden [van de Zon en de Maan] uit van een alternatief: het heliocentrische wereldbeeld. In dit werk probeerde Aristarchus te bewijzen dat de afstand van de Zon tot de Aarde 20 keer zo groot is als van de Maan tot de aarde.

Hij meende dat de maan geen licht uitzond, maar slechts het zonlicht reflecteerde. Daardoor kon hij de relatieve afstand tot zon een aarde bepalen, en wel als volgt: bij halve maan is de hoek Zon-Maan-Aarde 90°. Op hetzelfde moment mat hij de hoek Maan-Aarde-Zon. Dit lukte niet goed, want die hoek is moeilijk te meten, maar zo kon hij de relatieve lengten van de zijden Aarde-Maan en Aarde-Zon berekenen (gebruikmakend van de stelling van Phytagoras!).
Ook vergeleek hij in datzelfde boek de middellijn van de Aarde met de middellijn van de Maan. Die was af te leiden uit de schaduw van de Aarde op de Maan bij maansverduisteringen. Door die schaduw te bekijken, meende hij te zien dat de Aarde drie keer zo groot is als de Maan, wat een redelijk goede benadering is.
De Zon is verder weg dan de Maan en aanzienlijk groter dan de Aarde – Aristarchus kwam uit op achttien tot twintig keer (in werkelijkheid ongeveer 500 keer). Op grond van deze verhouding in grootte, kwam hij tot de conclusie dat de Aarde om de Zon moet draaien in plaats van andersom.
Samengevat was dus volgens hem de Zon het centrum van het heelal, bewoog de Aarde in één jaar om de Zon en in één dag om haar eigen as en was de sfeer van de sterrenhemel onbeweeglijk. Omdat de sterren geen zichtbare parallax vertoonden, veronderstelde hij dat de sterren zeer ver weg waren. Het is echter niet zeker of hij dit slechts als hypothese overwoog of als bewezen propageerde.

Zijn ideeén hielden echter geen stand en werden verdrongen door die van Ptolemaeus.

Claudius Ptolemaeus beschreef in 140 na Chr. een geocentrisch beeld van het zonnestelsel. Zijn opvattingen over astronomie, bekend als het Stelsel van Ptolemaeus, hebben meer dan 1400 jaar, tot ver na de middeleeuwen, deze wetenschap in West-Europa en Arabië beheerst.

Het zonnestelsel volgens Ptolemaeus


Ptolemaeus heeft de epicykel-theorie van Hipparchus vervolmaakt. Met het sterren-model van Aristoteles kon namelijk niet verklaard worden waarom de planeten zich soms snel, soms langzaam, en soms zelfs achteruit, aan de hemel schenen te bewegen. Door de planeten cirkelbewegingen op cirkelbewegingen te laten maken, lukt dit Ptolemaeus wel.
De werken van Ptolemaeus over astronomie zijn overgeleverd in het Arabisch en werden door de Arabische astronomen Kitab al-Madjisti genoemd, wat Het grootste boek betekent. Dit werd later verbasterd tot Almagest (het zeer grote). De Almagest bevatte ook een sterrencatalogus en een lijst van 48 sterrenbeelden die al door Hipparchus beschreven waren.

Kosmologie 1/…

Tijdens mijn studie natuurkunde aan de Rijks Universiteit te Utrecht, had ik als bijvak Sterrenkunde. Binnen dat vak gebied ben ik altijd geinteresseerd geweest in de kosmologie, de ontstaansgeschiedenis van onze kosmos of heelal. Ik wil daar een aantal onderwerpen uitlichten.

Dark Matter en Dark Energy

Wat is dat nu weer? Donkere materie en donkere energie?

Het zijn begrippen uit de kosmologie en zijn bedoeld om ons momentele gebrek aan kennis over de samenstelling van de kosmos te “verhullen“.
Het blijkt namelijk dat we slechts zo’n 5% van de materie en energie “kennen” die noodzakelijk is om ons heelal bij elkaar te houden, dan wel met versnelling te laten expanderen. Waar is de rest?

Die ontbrekende 95% wordt in de kosmologische literatuur “dark matter” en “dark energy” (donkere materie en donkere energie) genoemd.

Voor een goed begrip: we hebben het hier over materie en energie die niet zichtbaar is met optische middelen en dus niet te detecteren is via de elektromagnetische straling die de aarde bereikt. Op dit moment schatten de kosmologen de volgende verhouding van de zichtbare en onzichtbare materie en energie in:

  • 74% donkere energie
  • 22% donkere materie
  • 4% waarneembare (detecteerbare) materie en energie

De ontbrekende materie en energie is noodzakelijk om de bewegingen van sterren en sterrenstelsels in ons heelal (zoals we die op aarde waarnemen) consistent te houden met onze zwaartekracht- en relativiteitstheorie.

Dark matter en dark energy verhouding

Je zou ook de oplossing kunnen zoeken in antwoorden op vragen als:
Zijn onze waarnemingen wel correct?
Is onze zwaartekracht- en relativiteitstheorie wel correct?

Of zelfs:
Wordt ons heelal misschien wel bij elkaar gehouden door God?

Voordat we daar op ingaan, eerst wat achtergronden en geschiedenis.

Het eerste idee van Dark Matter

Het was een Nederlander die als eerste (in 1932) het idee lanceerde dat er ontbrekende materie moest zijn om ons Melkwegstelsel intact te houden: Jan Hendrik Oort. Zijn berekeningen waren niet correct, maar een jaar later bewees Fritz Zwicky de theorie van Oort met de correcte berekeningen.

Opnieuw getoetst

Veel later (in 1978) werd de theorie opnieuw getoetst door Vera Rubin en Kent Ford. En zij vonden dat de buitengebieden van spiraalstelsels sneller ronddraaien dan verwacht mocht worden op grond van hun bekende massa. Er zou daarvoor meer massa aanwezig moeten zijn.
Dit fenomeen werd vanaf toen het melkwegstelseldraaiingsprobleem genoemd.

Oerknal of “Big Bang

Donkere materie is ook een mogelijke oplossing voor bepaalde inconsistenties in de theorie van de oerknal. De oerknal of big bang is de populaire benaming van de kosmologische theorie die op basis van de algemene relativiteitstheorie aannemelijk maakt dat 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond uit een enorm heet punt (ca. 1028 K), met een bijna oneindig grote dichtheid, ofwel een singulariteit. Tegelijkertijd met de oerknal zouden ruimte en tijd zijn ontstaan. De theorie is onder meer gebaseerd op de waarneming van het voortdurend uitdijende heelal, in het bijzonder de roodverschuiving van de spectraallijnen van licht van verre sterrenstelsels. Dit wordt veroorzaakt door het zogenaamde dopplereffect.
Die singulariteit is strijdig met de algemene relativiteitstheorie, want daarin is een oneidig grote dichtheid onmogelijk.
De vraag is dus ook of we met onze theorieen, die de extrapolatie van het uitdijende heelal, terug in de tijd, moeten ondersteunen, wel dicht genoeg bij het begin kunnen komen. Er wordt dan ook veel gediscussieerd over tot hoe dicht we bij de singulariteit kunnen extrapoleren, maar zeker is dat we niet dichterbij kunnen komen dan tot ongeveer 10−43 seconde na het ontstaan van het universum.

Big Bang of Oerknal van bijna 15 miljard jaar geleden

Zwarte gaten of “Black Holes

Het lijkt voor de hand te liggen om een relatie tussen donkere materie en zwarte gaten te veronderstellen. De kern van een zwart gat bestaat ook uit een singulariteit en lijkt daarmee op het begin van de kosmos.
Zouden de zwarte gaten in feite de donkere materie zijn? Ook hier tast men nog in het duister; het is zelfs zo dat het opnemen van donkere materie door zwarte gaten (meestal bevinden die zich in het centrum van een sterrenstelsel) impliceert dat er donkere materie verdwijnt uit de rest van het sterrenstelsel.
Dit legt weer beperkingen op aan de theorieën over de snelheid en richting van de donkere materie deeltjes. Het verklaren van de aard van donkere materie is een van de grote problemen van de kosmologie.

Noodzaak van donkere energie of Dark Energy

Naast donkere materie is er ook donkere energie noodzakelijk om, met name, de versnelling van het uitdijen van het heelal te verklaren.
Einstein wilde in eerste instantie niet geloven dat het heelal uitdijde. Daarom introduceerde hij in 1917 al een kosmologische constante in zijn veldvergelijkingen. Die konstante voorkwam dat het heelal, volgens zijn theorie, door de zwaartekracht zou instorten. Na de ontdekking van de uitdijing van het heelal trok Einstein het idee van deze anti-zwaartekracht in en noemde dit idee “zijn grootste blunder”.

Versnelling eist negatieve zwaartekracht

In de jaren negentig werd aan de hand van de studie van verre supernovae, ontdekt dat de uitdijing van het heelal zo’n vijf miljard jaar na de oerknal is gaan versnellen. De enige manier om dit te verklaren was het introduceren van een onbekende kracht die zich gedroeg als een kosmologische constante en werkte als een negatieve zwaartekracht. Deze kracht, of energie, werd donkere energie genoemd en er is nog geen afdoende verklaring voor gevonden. Een verklaring kan zijn dat “lege” ruimte zijn eigen energie heeft. Omdat dit een eigenschap van ruimte zelf is, kan ze niet “verdunnen” als gevolg van een expanderende ruimte… Andersom: als er meer ruimte ontstaat, is er ook meer van dergelijke energie.

Quintessence, het vijfde element

Sommige kosmologen hebben deze donkere energie ook wel “quintessence” genoemd, naar het vijfde element in de Griekse filosofie (ook wel aether genoemd). Volgens de Griekse filosofen zou dit element de ruimte boven de aardse sfeer vullen. En dit werd ook in de middeleeuwen geloofd. Maar dat verklaart dus evenmin iets.

Kosmologie en Darwin

In het boek Character of Physical Law van Richard Feynman las ik het volgende: “According to modern physical cosmology, our universe evolved from a very special, remarkably simple beginning. During the initial stages of the Big Bang, the matter in the universe was in thermal equilibrium at an extremely high temperature, almost perfectly uniform in composition and density. Since then, the universe has expanded and cooled. The structures we see today, ranging from clusters of galaxies to individual galaxies to stars and planets, emerged through gravitational instability from extremely small deviations from perfect uniformity (about one part in ten thousand).
More specifically, regions containing slightly more than the average density of matter attracted surrounding matter more effectively than less dense regions, thus getting denser, in a self-reinforcing cycle, until they condensed into the structures we see today.

Hierbij deed de term “extremely small deviations” mij denken aan de evolutietheorie van Darwin.