In deze dossier, verschenen in hun bulletin,
uitte het CNRS zijn mening over de werkzaamheden op het gebied van astrofysica en kosmologie van Jean-Pierre Petit.
8 maart 2005
Big Bang – Donkere energie
DE GROTE ONBEKENDE
In 1998 kwam het schokkende nieuws, vertelt Pierre Astier van het Laboratorium voor Kernfysica en Hoge Energies: de uitbreiding van het heelal versnelt onder invloed van een mysterieuze donkere energie. Deze zou ongeveer 70% van het heelal uitmaken. En over haar samenstelling is niets bekend. Tot dan had men, binnen het kader van de oerknaltheorie en in het licht van Einsteins algemene relativiteitstheorie, geweten dat het heelal zich regelmatig uitbreidt door een eerste "explosie". De opdracht van de onderzoekers bestond dan ook in het tellen van de inhoud van het heelal om het te "afwegen" en vast te stellen of de uitbreiding onder invloed van de zwaartekracht zou kunnen stuiten. Maar zeven jaar geleden veranderden de ideeën radicaal. Twee onafhankelijke teams traden in het spel: het Supernovae Cosmology Project en de High z Supernova Search Team. Zij observeerden een vijftigtal verre sterrenexplosies (verschijnend tussen 1 en 6 miljard lichtjaar) die werden geïdentificeerd als type Ia-supernovae, dus natuurlijke kernexplosies. Deze zeldzame fenomenen worden "referentiekaarsen" genoemd, omdat hun absolute helderheid bekend is en hun afstand op twee verschillende manieren kan worden bepaald. Toen in 1998 waarnemingen werden gedaan, bleek dat de verste supernovae een zwakkere helderheid hadden dan verwacht in een heelal waarvan de uitbreiding alleen wordt veroorzaakt door materie. Daaruit volgde onvermijdelijk een conclusie: de schijnbare zwakke helderheid is te verklaren door de afstand van het hemellichaam. De gastheer-galaxie bevindt zich dus verder weg dan men dacht. Het heelal moet dus sneller zijn uitgebreid dan verwacht. Om dit fenomeen te verklaren, moest dus een mysterieuze donkere energie worden bedacht die de uitbreiding op gang houdt. Zou deze ontdekking de oerknaltheorie ondergraven? "Geenszins. Het versterkt het belang en voegt wat pit toe," zegt Pierre Astier geruststellend.
Sinds 1998 zijn er twee bevestigingen van de versnelling gekomen die de hypothese versterken. En "de meest recente resultaten wijzen erop dat dit uitbreidingspatroon al ongeveer vier tot vijf miljard jaar bestaat, dus 35% van de geschiedenis van het heelal," benadrukt de fysicus, die behoort tot het onderzoeksteam dat werd opgericht door Reynald Pain, de enige Franse deelnemer aan het Amerikaanse Supernova Cosmology Project. De Franse onderzoekers gebruiken nu meerdere telescopen, waaronder de Canada-France-Hawaii- en de Europese Very Large Telescope in Chili. Het zoeken naar verre supernovae is nu een belangrijke uitdaging voor deze observatiemiddelen. Het doel? "Honderden ontdekken," zegt Pierre Astier enthousiast. Dit is onontbeerlijk om te bepalen hoe de versnelling van de uitbreiding in het verleden heeft geëvolueerd. Sommige fysici zien in deze afstotende kracht de aanwijzing van wat zij "vacuümenergie" noemen.
Deze weerspiegelt de ongelooflijke kwantumactiviteit van het heelal op kleine schaal. Uitleg: wetenschappers zien het vacuüm – "hetgeen overblijft als alles wordt weggenomen" – als een vreemd medium. Het absolute niets bestaat niet. Er verschijnen voortdurend virtuele deeltjes en antideeltjes. Deze objecten ontstaan en verdwijnen direct. Aan hen is een onvermijdelijke energie gekoppeld, die men "grondniveau" of, eenvoudiger, "vacuümenergie" noemt. En volgens een in 1948 voorgestelde proef van de Nederlandse Hendrick Casimir gedraagt de vacuümenergie zich als een druk. Een afstotende kracht. Daarom is het idee ontstaan om deze energie te identificeren met de donkere energie, die het heelal lijkt "te laten barsten".
Voor anderen zou de donkere energie, indien zij in de tijd verandert, kunnen overeenkomen met een geheel dierbare objecten die de quintessentie of "vijfde essentie" vormen, naast de vier fundamentele krachten (zie pagina 28). Zoals je ziet, is het lot van het hele heelal in het geding. Het is dringend noodzakelijk om de onduidelijkheden weg te nemen. Met de huidige projecten hoopt het Franse team binnen vijf jaar 600 nieuwe supernovae te detecteren. Aan de andere kant ontdekte de ruimtetelescoop Hubble in 2003 zestien supernovae. Laat de beste winnen in de zoektocht naar de donkere energie!
Frédéric Guérin
CONTACT
Pierre Astier, astier@in2p3.fr
DONKERE MATERIE: DE ONZIENBARE OCEAN
Het is een vervelende raadsel: gewone materie maakt minder dan 5% van de inhoud van het heelal uit, en meer dan 95% ontbreekt. Als de donkere energie 70% van het heelal uitmaakt, wat bestaat het resterende deel dan uit? Alles begon in 1933, toen de Amerikaanse astrofysicus Fritz Zwicky het Coma-cluster onderzocht in het sterrenbeeld Haar van Berenice, op 150 miljoen lichtjaar afstand. Dit object bestaat uit duizenden galaxieën vergelijkbaar met onze Melkweg. En hij ontdekte dat hun bewegingssnelheid binnen het cluster suggereert dat er honderd keer meer materie is dan wat men ziet. De top van de ijsberg dus. In het voorbijgaan ontstaat het beeld: de heldere sterren, de gas- en stofwolken die galaxieën vullen, zijn slechts gewone brokstukken. Ze drijven op een imposante, onzichtbare en krachtige oceaan die hen heen en weer schudt. Evenzo toonden studies van de beweging van sterren in het centrum van galaxieën in de jaren 1960-1970 aan dat deze vijf tot tien keer meer onzichtbare materie bevatten dan zichtbare materie. Om de schijn te behouden, moest dus een "donkere" of "donkere" materie worden bedacht, van een andere aard dan de materie die wij kennen. De afgelopen tien jaar hebben wetenschappers een verbluffende verbetering van kwaliteit en hoeveelheid gegevens waargenomen.
Aan de ene kant bevestigt de waarneming van de rotatie van galaxieën de aanwezigheid van een halo van donkere materie die tien keer zwaarder is dan de sterren. Aan de andere kant bevatten de clusters een heet gas dat op miljoenen graden wordt verwarmd. Metingen in röntgenstraling van satellieten als Chandra (NASA) en XMM (Europa) wijzen hierop een honderd keer grotere hoeveelheid donkere materie dan zichtbare materie. Ten slotte heeft een ander instrument onlangs zijn waarde bewezen: gravitatielenzen, deze natuurlijke mirages voorspeld door de relativiteitstheorie, bieden een krachtig middel om de geometrie van het heelal te onderzoeken. Door microlens-effecten te volgen, kon worden vastgesteld dat donkere materie in galaxieën niet bestaat uit atomen in de klassieke zin, met kern (protonen en neutronen) en elektronen! Deze mysterieuze objecten zijn Machos (Massive Halo Compact Objects) genoemd, en onderzoekers hebben berekend dat zij minder dan 10% van de totale hoeveelheid materie in onze melkweg uitmaken. Wat bestaat het resterende deel van het heelal dan uit, dat geen atoomkern of bekende deeltjes bevat? Niemand weet het, maar er beginnen ideeën te ontstaan. Fysici hebben al een kandidaat: het neutralino, rechtstreeks afkomstig uit het wereldje van supersymmetrie (zie p. 29), een mogelijke uitbreiding van het "standaardmodel van deeltjes", waarvan men de signalen zoekt in grote versnellers. Hun interactie met gewone materie zou zeer zwak zijn. Op basis van de meest recente beschikbare gegevens, bestaat ons heelal als volgt:
-
70% donkere energie van onbekende aard en samenstelling; versnelt de uitbreiding maar verdwijnt er niet in
-
25% exotische donkere materie (neutralinos uit supersymmetrie?) die zich met de uitbreiding verspreidt
-
4,5% gewone materie waarvan het grootste deel donker is en niet schijnt. Sterren en materie die zichtbaar is door straling of lichtabsorptie maken slechts 0,5% uit. Zware chemische elementen zoals koolstof, stikstof, zuurstof, silicium en ijzer vormen 0,03%. Dit zijn de bouwstenen van de aarde en het leven.
-
0,3% of minder donkere warme materie in de vorm van neutrino’s, talrijk maar weinig massief.
F.G.
Terug naar "Het standpunt van het CNRS over het werk van haar onderzoekers"
Naar "Standpunt van het CNRS over het werk van Jacques Benveniste"
