| 20 |
Het "model"
van donkere materie (dark
matter).
...We hebben hierboven de indrukwekkende lijst van problemen gezien, die verband houden, althans met de astrofysica. De sterrenstelsels draaien bijvoorbeeld te snel. De geregistreerde massa is 3 tot 5 keer te klein om de centrifugale kracht te compenseren. De situatie is nog erger voor clusters van sterrenstelsels. Dit is een al oud probleem, omdat het voor het eerst werd gemeld door Fritz Zwicky, tientallen jaren geleden.
...Hoe oplossen? Moet de wet van Newton worden herzien? Sommigen hebben simpelweg voorgesteld dat sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels en zelfs het hele universum een massa kunnen bevatten (die bijdraagt aan het zwaartekrachtveld) die tot nu toe aan observatie is ontsnapt. Wat kon dit zijn? Bijvoorbeeld sterren die te weinig emissief zijn. Er werd een naam gevonden voor deze objecten: MACHOS (massive compact halo objects, dat wil zeggen compacte en massieve objecten, gelokaliseerd in de halo van sterrenstelsels: het deel van de galactische ruimte gelegen in en buiten de "schijf"). Detectiemethode: verduistering van bronnen op de achtergrond, voornamelijk sterren. Methode: een zeer groot aantal sterren volgen en afname van helderheid vaststellen, waarvan de evolutie in de tijd zou verschillen van fluctuaties die overeenkomen met veranderlijke sterren.
Resultaten: telestellend.
...Andere hypothese: "exotische deeltjes", bijvoorbeeld massieve neutrino's (met een kleine massa). Maar tot op heden geen bewijs van een mogelijke massa van neutrino's.
....Andere kandidaat, dierbaar voor astrofysicus Françoise Combes: koud waterstof, bij zeer lage temperatuur, dus praktisch onobservable.
...Deze donkere materie zou dan de sterke effecten van gravitationele lensing verklaren, schijnbaar gerelateerd aan sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels (gravitationele bogen). Veel beschouwen deze effecten als een "onweerlegbaar bewijs" van het bestaan van deze niet-gedetecteerde materie.
...Het is dan mogelijk om alles te verklaren en alles anders door het universum slim te bestrooien met donkere materie, op de juiste plaatsen. Het gaat dus om een perfect ad hoc-theorie. Sommigen maken zich er zelfs niet de moeite om de oorsprong van dit component, zijn aard, zijn oorsprong, noch zelfs zijn dynamiek te beschrijven, en volstaan met te zeggen dat het een nieuwe astronomie is, "waar men nu het onzichtbare in kaart brengt". Teams zijn aan het werk, die zijn begonnen met het opstellen van kaarten van de verdeling van donkere materie.
...Deze maakt het mogelijk om de grootschalige structuur van het universum te verankeren, en zo te "verklaren". Elders produceert men een verdeling van donkere materie die niet alleen de cohesie van sterrenstelsels verklaart, maar ook het verloop van hun rotatiekrommen. Dit alles wordt uitgebreid gepubliceerd en zonder problemen (Astrophysical Journal, Astronomy and Astrophysics, etc...). Men onderscheidt "koude donkere materie" en "warme donkere materie".
Sommige speculaties lijken dus "toegestaan".
De vraag van de kosmologische constante en de leeftijd van het universum.
Situeer eerst zijn oorsprong.
Uitgerust met zijn veldvergelijking:
S = c T
...Einstein
had onmiddellijk geprobeerd een model van het universum te construeren
(1917). Maar omdat hij niet wist dat dit instationair was, had hij geprobeerd een stationair model te construeren. Hij stuitte toen op talloze problemen en ging de Franse wiskundige Elie Cartan bezoeken, die hem verklaarde:
- Uw vergelijking kan worden aangepast. Ik stel voor:
S = c T -Lg
waar g de metriek tensor is
en L een constante. Zo blijft de vergelijking tensoriell en uw oplossing invariant bij verandering van coördinaten.
-
Maar, wat is de
fysieke betekenis van deze constante L? -
Dat, mijn beste, is
uw probleem. Ik ben wiskundige.....
Vanuit een veldvergelijking, in de hypothese dat de kromming klein is en de thermische agitatie-snelheden klein ten opzichte van de lichtsnelheid c, kan men de Newtoniaanse dynamiek terugvinden. De kracht van Newton krijgt dan een correctieterm:
...Deze
correctieterm was dus evenredig met de afstand. De benaming "repulsieve kracht van het vacuüm" wordt algemeen gebruikt (of attractief, afhankelijk van het gekozen teken voor deze arbitraire constante L).
...Deze
repulsieve kracht van het vacuüm was het sluitstuk dat het stationaire universum van Einstein een evenwicht (instabiel, trouwens) kon laten kennen. Maar, zeer snel:
-
De ontdekking
van Edwin Hubble meldde een roodverschuiving z, geassimileerd met
een algemene beweging van kosmische expansie (Doppler-effect). Dus vaarwel aan het model van een stationair universum. -
De Rus Friedmann
brachte op hetzelfde moment de instationaire oplossingen van de veldvergelijking, zonder kosmologische constante.
Ontevreden, Einstein
trok zich terug onder zijn tent en zei:
- Als ik had geweten dat
het universum instationair was, had ik het voor Friedmann gevonden!
...Deze
kosmologische constante verdween in een quasi-vergetenheid gedurende decennia. Sommigen brachten argumenten aan die pleitten voor zijn noodzakelijke nulheid. Het feit is dat, verwijzend naar acties op zeer grote afstanden, hij zijn effect pas laat deed voelen, toen de karakteristieke dimensie R(t) van het universum "een voldoende waarde" had bereikt.
...De
metingen van roodverschuiving, van radiale snelheid van sterrenstelsels, maken het mogelijk de wet van Hubble te kalibreren, die voortvloeit uit de oplossing van de veldvergelijking en die simpelweg zegt:
De vluchtsnelheid
is evenredig met de roodverschuiving z
De constante van evenredigheid
heet de Hubble-constante Ho.
....Een
terugkom voor degenen die dit niet weten. Een atoom, in het laboratorium, stil ten opzichte van het meetinstrument, zendt bijvoorbeeld straling uit die correspondeert met een golflengte l. Door
het Doppler-effect zal hetzelfde atoom, in beweging, een golflengte geven: l' = l + D
l
Men stelt:
| z = |
Als D
l positief is:
de bron verwijdert zich: roodverschuiving.
Als D
l negatief is,
de bron nadert: "blauwverschuiving".
De Hubble-constante
verschijnt ook in de wet van expansie R(t) als functie van de tijd:
...Men
weet dat er in feite drie modellen van Friedmann zijn, die alleen verschillen door de beschrijving die ze geven van de verre toekomst van het kosmos.
In het schema
hieronder, waar men verondersteld wordt "voldoende ver" te zijn van deze verre toekomst van het universum, zijn de drie krommen samengevoegd.
...Dus
de kennis van de wet van kosmische expansie, van de Hubble-constante, maakt het mogelijk, 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 handgranaten. De belichtingstijd zou een bepaalde onscherpte aan de objecten geven, wat het mogelijk zou maken hun snelheid te evalueren, en dus, door een eenvoudige foto te bestuderen, het moment te berekenen waarop de explosie begon. De kosmische explosie is natuurlijk anders dan de explosie van een handgranaten, door zijn dynamiek, omdat de zwaartekracht, door de expansie af te remmen, deze geleidelijk vertraagt.
...De
objecten van het kosmos zijn onderworpen aan eigen bewegingen, op
de manier van de moleculen van een gas, die onderworpen zijn aan een beweging van thermische agitatie. Men spreekt trouwens van een "kosmologisch fluïdum", een "gas" waarvan de moleculen de sterrenstelsels zouden zijn.
...Om
de Hubble-constante te kunnen evalueren, moesten de metingen gebaseerd zijn op objecten die voldoende ver zijn, dus onderworpen aan snelheden die voldoende hoog zijn om de gemiddelde waarde van de agitatie-snelheid van een sterrenstelsel in zijn cluster te overschrijden (in de orde van 500 tot 1000 kilometer per seconde).
...Het
probleem bleef de evaluatie van de afstand. Een sterrenstelsel zien op een foto is één ding, zijn afstand evalueren is iets anders. Om dit te doen, moet men zijn absolute magnitude kennen, de hoeveelheid licht die men veronderstelt dat hij uitstraalt. Lang waren astronomen het niet eens over de evaluatie van deze Hubble-constante (in dit domein, een grote tegenstander was de Franse astronoom de Vaucouleurs, werkend in de VS).
...De
oudste sterren van ons eigen sterrenstelsel behoren tot sterrenhopen, zoals de Hercules-hoop. Tot nu toe waren alle astronomen het eens om hun maximale leeftijd rond 15 miljard jaar te situeren (maar sommigen gingen zelfs tot 20 of zelfs 22....). Het hele spel bestond er dan in de evaluatie van Ho aan te passen om niet te ver af te wijken van deze leeftijd van de oudste sterren.
...In 1993 konden astronomen, met behulp van de ruimtetelescoop Hubble, Cepheïden observeren in extreem verre sterrenstelsels (55 en 48 miljoen lichtjaar). De Cepheïde is de afstandsnorm bij uitstek, omdat men verondersteld wordt de wet te kennen die hun fluctuatieperiode en de hoeveelheid licht die ze uitstralen, hun absolute magnitude, verbindt (wet van Henrietta Leavitt, 1912). Door, met behulp van de telescoop, hun schijnbare magnitude te meten, leidt men hun afstand af.
...De
metingen uitgevoerd op sterrenstelsels, in 93-94, halveerden bijna de afstand die men tot dan toe had geschat. Daardoor daalde de leeftijd van het universum tot 8 of 9 miljard jaar en werd dit ... jonger dan de sterren die het bevatte. En het tijdschrift Nature, in 1994, concludeerde "men zal het model opnieuw moeten opstellen".
...Sinds
dien hebben twee nieuwe feiten zich voorgedaan. De wet op de Cepheïden, om bruikbaar te zijn, moet gekalibreerd worden. Als men aannam dat er een relatie bestaat tussen de periode van deze veranderlijke sterren en hun absolute magnitude, de hoeveelheid licht die ze uitstralen, moet men nog beschikken over onafhankelijke afstandsmetingen. Deze worden geleverd door de parallax-methode, van Bessel. Men gebruikt dan de seizoensgebonden verplaatsing van de Aarde rond de Zon, door twee diametraal tegenovergestelde posities in te nemen. Voor een gegeven ster, relatief dichtbij, ten opzichte van een achtergrond van zeer verre sterren, op de twee momenten van het jaar zal men twee verschillende posities hebben, die corresponderen met een bepaalde hoekafstand Dq.
...Deze
methode heeft zijn grenzen. Hoe verder de ster is, hoe groter is de foutmarge. De metingen op afstanden werden recent recalibratie met behulp van de Hipparcos-satelliet. Volgens specialisten zou de analyse van de gegevens gerapporteerd door de satelliet hebben geleid tot een revisie van de geschatte afstanden voor de Cepheïden die klassiek dienen voor de kalibratie van de wet, waarbij hun afstand toenam met een factor 1,2 tot 1,4. Zo waren de sterrenstelsels waarin de Hubble-satelliet Cepheïden had gedetecteerd "niet zo dichtbij als gedacht", dus het universum "niet zo jong als gedacht". Van hun kant, zij die de leeftijd van de oudste sterren van de sterrenhopen van ons sterrenstelsel evalueren, hebben ernstige inspanningen gedaan naar beneden en "alles komt in orde", schatten sommigen.
Laten we aannemen...
...De andere
"klassieke" oplossing bestaat erin, zoals Lachièze-Rey had gedaan, de kosmologische constante L uit de naftaline te halen, in de noodzaak. Uitgerust met het goede teken (repulsieve kracht van het vacuüm) heeft deze het effect de expansie opnieuw op gang te brengen:
De wet:
wordt dus niet meer geldig, of levert een kortere leeftijd. In feite, door dit model "met variabele geometrie" kan men altijd een waarde van L kiezen die past bij elke waarde van de leeftijd van het universum, bijvoorbeeld die van zijn oudste sterren. Sommigen gingen zelfs zo ver om te zeggen dat dit simpelweg een meting van L gaf.
...De
twist die astronomen verdeelt over de leeftijd van het universum lijkt ver van uit te blussen. Tussen de optimisten die, steunend op een recente recalibratie van de Cepheïden, het hele nabije universum uitrekken (zoals bijvoorbeeld de afstand van het Andromeda-sterrenstelsel) en een her-evaluatie naar beneden van de leeftijd van de oudste sterren toestaan, en de alarmisten, die denken dat de metingen van Hubble een echt probleem opwerpen, welke positie adopteren?
Die van een voorzichtige afwachting,
waarschijnlijk.
Inhoud
artikel Inhoud
Wetenschap Startpagina
Terug naar
Gids-Wetenschap Aantal consultaties van deze pagina sinds 1 juli 2004
: