Model van donkere materie

f120

Het "model" van de donkere materie (dark matter).

...Zojuist is een indrukwekkend aantal problemen aan de orde gekomen, alleen al op het gebied van de astrofysica. Sterrenstelsels draaien bijvoorbeeld te snel. De gemeten massa is 3 tot 5 keer te klein om de centrifugale kracht te compenseren. De situatie is nog veel erger bij sterrenstelselgroepen. Een oud probleem, al aangegeven door Fritz Zwicky tientallen jaren geleden.

...Hoe komen we hieruit? Moeten we de wet van Newton herzien? Sommigen hebben eenvoudigweg voorgesteld dat sterrenstelsels, sterrenstelselgroepen en zelfs het hele universum een massa kunnen bevatten (die bijdraagt aan het zwaartekrachtsveld) die tot nu toe onzichtbaar is gebleven. Wat kon dit zijn? Bijvoorbeeld zeer zwak lichtgevende sterren. Deze objecten kregen een naam: MACHOS (massive compact halo objects, dus compacte en zware objecten in de halo van sterrenstelsels: het gedeelte van de ruimte binnen en rondom de "schijf"). Detectiemethode: verduistering van achtergrondbronnen, vooral sterren. Methode: continu volgen van een groot aantal sterren en opmerken van helderheidsdalingen, waarvan de tijdsafhankelijkheid verschilt van de fluctuaties van variabele sterren.

Resultaten: teleurstellend.

...Andere hypothese: "exotische deeltjes", bijvoorbeeld massieve neutrino's (met een kleine massa). Tot op heden is er echter geen aanwijzing voor een mogelijke massa van neutrino's.

....Andere kandidaat, dierbaar voor astrofysicus Françoise Combes: koud waterstof, bij zeer lage temperatuur, dus praktisch onzichtbaar.

...Deze donkere materie zou dan verklaren waarom er sterke gravitationele lensing-effecten zijn, die schijnbaar gerelateerd zijn aan sterrenstelsels en sterrenstelselgroepen (gravitationele bogen). Veel mensen beschouwen deze effecten als een "onweerlegbare bewijs" voor het bestaan van deze niet-geobserveerde materie.

...Dan is het mogelijk om alles uit te leggen en elke andere zaak te verklaren door slim de ruimte te vullen met donkere materie op de juiste plaatsen. Het is dus een perfecte ad hoc-theorie. Sommigen geven zelfs geen moeite om de oorsprong, aard of dynamica van dit component te verklaren, en beperken zich tot het zeggen dat het een nieuwe astronomie is, "waarin we nu het onzichtbare kaarten". Er zijn teams die bezig zijn met het opstellen van kaarten van de verdeling van donkere materie.

...Deze materie helpt om de grote-schaalstructuur van het universum te verklaren en dus te "rechtvaardigen". elders wordt een verdeling van donkere materie geproduceerd die niet alleen de samenhang van sterrenstelsels verklaart, maar ook de vorm van hun rotatiecurves. Alles wordt uitgebreid gepubliceerd zonder problemen (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, etc.). Daar onderscheidt men "koude donkere materie" en "warm donkere materie".

Sommige speculaties lijken dus "toegestaan".

De vraag rond de kosmologische constante en de leeftijd van het universum.

Laten we eerst de oorsprong bepalen. Met zijn veldvergelijking:

**S = **c T

...Zocht Einstein meteen naar een model van het universum (1917). Maar omdat hij niet wist dat het universum niet stationair was, probeerde hij een stationair model te bouwen. Hij stuitte toen op talloze problemen en ging een bezoek brengen aan de Franse wiskundige Elie Cartan, die hem zei:

• U kunt uw vergelijking wijzigen. Ik stel voor:

**S = **c T - Lg ** **

waarbij **g **de metrische tensor is en ** **L een constante. Zo blijft de vergelijking tensorieel en blijft uw oplossing invariant onder coördinatentransformaties.

• Maar wat is de fysieke betekenis van deze constante L?

• Dat, mijn beste, is jouw probleem. Ik ben wiskundige...

Uit een veldvergelijking, onder de aanname dat de kromming klein is en de thermische bewegingssnelheden veel kleiner zijn dan de lichtsnelheid c, kan men de Newtoniaanse dynamica herleiden. De Newton-kracht krijgt dan een correctieterm:

...Deze correctieterm is evenredig met de afstand. De term "afstotende kracht van het vacuüm" wordt vaak gebruikt (of aantrekkend, afhankelijk van het teken van deze willekeurige constante L).

...Deze afstotende kracht van het vacuüm was de sleutel tot het evenwicht (al is het instabiel) van Einsteins stationaire universum. Maar heel snel:

• De ontdekking van Edwin Hubble toonde een roodverschuiving z aan, die werd geïnterpreteerd als een algemene uitbreiding van het universum (Dopplereffect). Dus tot ziens voor het stationaire universum.

• Tegelijkertijd publiceerde de Russische Friedmann de niet-stationaire oplossingen van de veldvergelijking zonder kosmologische constante.

Onbevredigd trok Einstein zich terug onder zijn tent en zei:

-* Als ik had geweten dat het universum niet stationair was, had ik Friedmann voorafgegaan!*

...De kosmologische constante zonk toen in een bijna vergetenheid gedurende decennia. Sommigen gaven argumenten voor de noodzakelijke nulwaarde ervan. Het feit is dat, door te verwijzen naar acties op zeer grote afstanden, deze constante alleen maar laat voelen wanneer de karakteristieke afmeting R(t) van het universum "een voldoende grote waarde" had bereikt.

...De metingen van roodverschuiving en radiale snelheid van sterrenstelsels maken het mogelijk om de wet van Hubble te kalibreren, die voortvloeit uit de oplossing van de veldvergelijking en simpelweg zegt:

De vluchtssnelheid is evenredig met de roodverschuiving z

De evenredigheidsconstante heet de *constante van Hubble *Ho.

....Een kanttekening voor degenen die het niet weten. Een atoom, in het laboratorium, stilstaand ten opzichte van het meetapparaat, zendt bijvoorbeeld straling uit met een golflengte l. Door het Dopplereffect geeft hetzelfde atoom, in beweging, een golflengte: l' = l+ D l

Men definieert:

| Dl |
|---|
| l |

Als D l positief is: de bron beweegt zich verwijderen: roodverschuiving.

Als D l negatief is, beweegt de bron zich dichterbij: "blauwverschuiving".

De constante van Hubble komt ook voor in de wet van uitbreiding R(t) als functie van de tijd:

...Men weet dat er in feite drie Friedmann-modellen zijn, die alleen verschillen in hun beschrijving van het verre verleden van het heelal.

In het schema hieronder, waarbij men veronderstelt "voldoende ver" van dat verre verleden te zijn, zijn de drie krommen samengevoegd.

...De kennis van de wet van kosmische uitbreiding, van de constante van Hubble, maakt het mogelijk om direct, volgens dit model (met nul kosmologische constante), de leeftijd van het universum af te leiden.

...Stel dat we een momentopname maken van de explosie van een handgranaat. De sluitertijd zou een bepaalde onscherpte geven aan de objecten, wat hun snelheid toelaat te schatten, en dus toelaat om, door alleen een foto te bekijken, het moment van de explosie te berekenen. De kosmische explosie verschilt natuurlijk van die van een handgranaat, vanwege haar dynamica, omdat de zwaartekracht, door de uitbreiding te vertragen, deze geleidelijk afremt.

...De objecten in het heelal hebben eigen bewegingen, net als moleculen van een gas, die bewegen door thermische beweging. Men spreekt daarom van een "kosmologisch vloeistof", een "gas" waarvan de moleculen de sterrenstelsels zijn.

...Om de constante van Hubble te kunnen bepalen, moest men metingen baseren op objecten die voldoende ver weg waren, dus met voldoende grote snelheden om de gemiddelde bewegingssnelheid van een sterrenstelsel binnen zijn groep (ongeveer 500 tot 1000 kilometer per seconde) te overtreffen.

...Het probleem bleef de bepaling van de afstand. Een sterrenstelsel op een foto zien is één ding, de afstand ervan bepalen is iets anders. Daarvoor moet men de absolute helderheid kennen, de hoeveelheid licht die het zou moeten uitstralen. Langere tijd waren astronomen het er niet over eens over de bepaling van deze constante van Hubble (in dit verband was de Franse astronoom Vaucouleurs, werkzaam in de VS, een grote tegenstander).

...De oudste sterren van onze eigen melkweg behoren tot sterrenhopen, zoals de hopen van Hercules. Tot nu toe waren alle astronomen het erover eens dat hun maximale leeftijd ongeveer 15 miljard jaar was (sommigen gingen zelfs tot 20 of zelfs 22...). Het hele spel bestond erin om de waarde van Ho zo aan te passen dat deze niet te ver afweek van de leeftijd van de oudste sterren.

...In 1993 konden astronomen met behulp van de ruimtetelescoop Hubble Cepheiden observeren in extreem verre sterrenstelsels (55 en 48 miljoen lichtjaar). De Cepheïde is de absolute afstandsmeter, omdat we de relatie tussen hun trillingstijd en de hoeveelheid uitgezonden licht, hun absolute helderheid, moeten kennen (wet van Henrietta Leavitt, 1912). Door met de telescoop hun apparente helderheid te meten, kunnen we hun afstand afleiden.

...De metingen aan sterrenstelsels in 1993-1994 verdubbelde de afstand die tot dan toe was geschat. Hierdoor daalde de leeftijd van het universum naar 8 of 9 miljard jaar en werd het dus ... jonger dan de sterren die het bevatte. En de revue Nature concludeerde in 1994: "We moeten het model opnieuw aanpassen".

...Sindsdien zijn twee nieuwe feiten opgetreden. De wet van de Cepheïden is alleen bruikbaar als deze wordt gekalibreerd. Als men aanneemt dat er een relatie bestaat tussen de periode van deze veranderlijke sterren en hun absolute helderheid, de hoeveelheid licht die ze uitstralen, dan moet men nog steeds afstandsmetingen hebben die onafhankelijk zijn. Deze worden geleverd door de parallaxmethode van Bessel. Men gebruikt hierbij de seizoenswijzende beweging van de Aarde rond de Zon, door twee diametraal tegenovergestelde posities te nemen. Voor een bepaalde ster, relatief dicht bij een verre sterrenachtergrond, zal men op twee tijdstippen van het jaar twee verschillende posities hebben, die overeenkomen met een bepaalde hoekafstand Dq.

...Deze methode heeft haar grenzen. Hoe verder de ster, hoe groter de foutmarge. De afstandsmetingen zijn recentelijk opnieuw gekalibreerd met behulp van de satelliet Hipparcos. Volgens deskundigen zou de analyse van de gegevens van de satelliet hebben geleid tot een herziening van de afstanden die voor Cepheïden worden gebruikt om de wet te kalibreren, waarbij hun afstand met een factor 1,2 tot 1,4 toeneemt. Dus de sterrenstelsels waarin de Hubble-satelliet Cepheïden had waargenomen, waren "niet zo dichtbij als gedacht", dus het universum "niet zo jong als eerst gedacht". Anderzijds hebben diegenen die de leeftijd van de oudste sterren in de sterrenhopen van onze melkweg bepaalden, ernstige inspanningen gedaan om hun schatting te verlagen en "alles komt weer in orde", zeggen sommigen.

Stel dat...

...De andere klassieke oplossing bestaat erin, zoals Lachièze-Rey deed, de kosmologische constante L uit haar naphthaline te halen. Met het juiste teken (afstotende kracht van het vacuüm) heeft deze een effect dat de uitbreiding heractiveert:

De wet:

is dus niet langer geldig, of geeft een kortere leeftijd. In feite kan men met dit model "met variabele geometrie" altijd een waarde van L kiezen die overeenkomt met elke gewenste leeftijd van het universum, bijvoorbeeld die van de oudste sterren. Sommigen gingen zelfs zover te zeggen dat dit simpelweg een meting van L geeft.

...De twist tussen astronomen over de leeftijd van het universum lijkt nog lang niet voorbij. Tussen de optimisten die, gebaseerd op een recente herkalibratie van Cepheïden, het hele nabije heelal uitbreiden (zoals bijvoorbeeld de afstand naar het sterrenstelsel van Andromeda) en een verlaging van de leeftijd van de oudste sterren aanvaarden, en de alarmisten die denken dat Hubble-metingen een echt probleem opleveren, welke houding moet men innemen?

Waarschijnlijk die van voorzichtig wachten.

../../../bons_commande/bon_global.htm

Sommaire artikel Sommaire Science Startpagina

Vorige pagina Volgende pagina

**

Aantal bezoeken aan deze pagina sinds 1 juli 2004** :