science >> Wetenschap >  >> anders

Hoe de Big Crunch-theorie werkt

Sommige astronomen denken dat het universum zich uiteindelijk kan gedragen als een noodlottige soufflé, in tegenstelling tot deze, die er mooi uitgebouwd en eetklaar uitziet. © iStockphoto.com/robynmac

We maken ons allemaal zorgen over wat er aan het einde van ons leven zal gebeuren. We zien andere levende wezens sterven, en we weten dat het ons zal overkomen. Omdat het onvermijdelijk is, we maken ons zorgen over wanneer, waar en hoe het zal gebeuren. Velen van ons vragen zich ook af wat het lot van de aarde is. Zal het voor altijd een gastvrije blauwe bal zijn, of zal het uiteindelijk worden verteerd door de zon terwijl het opzwelt van een middelgrote gele ster tot een rode reus? Of misschien vergiftigen we onze planeet, en het zal drijven, koud en verlaten, door de ruimte. Als zoiets zou gebeuren, hoe lang zou het duren? Honderd jaar? Duizend? Een miljoen?

Sommige astronomen - zij die zichzelf kosmologen noemen - stellen soortgelijke vragen over het heelal. De schaal waarop deze wetenschappers werken, natuurlijk, is veel anders. Het universum is enorm vergeleken met een enkele planeet, zelfs een enkel sterrenstelsel, en de tijdlijn is veel, veel langer. Daarom, kosmologen kunnen niet met zekerheid weten hoe het universum is begonnen of hoe het zal eindigen. Ze kunnen, echter, bewijs verzamelen, gefundeerde gissingen maken en theorieën opstellen.

Een dergelijke theorie, over de toekomst van het heelal, is speels bekend als de "big crunch". Volgens deze theorie is het universum zal op een dag stoppen met uitdijen. Vervolgens, terwijl de zwaartekracht aan de materie trekt, het universum zal beginnen samen te trekken, naar binnen vallend totdat het weer is ingestort in een superhete, superdichte singulariteit. Als de theorie klopt, het universum is als een gigantische soufflé. Het begint klein, zet dan uit als het opwarmt. Eventueel, echter, de soufflé koelt af en begint in te storten.

Niemand houdt van een gevallen soufflé, en we zouden niet van een universum moeten houden dat zich zo gedraagt. Het voorspelt de ondergang van elk sterrenstelsel, ster en planeet die momenteel bestaat. Gelukkig, de grote crunch is geen garantie. Kosmologen zijn momenteel verwikkeld in een heet debat. Eén kamp zegt dat de soufflé zal vallen; het andere kamp zegt dat de soufflé voor altijd zal uitbreiden. Het zal miljarden jaren duren voordat we zeker weten welk kamp de juiste is.

In de tussentijd, laten we dieper in de big crunch duiken om te begrijpen wat het is en wat het betekent voor het universum. Omdat de oerknal eigenlijk een gevolg is van de oerknal, laten we daar beginnen.

Inhoud
  1. De oerknal
  2. Bewijs voor de oerknal
  3. Voorbij de oerknal
  4. Zwaartekracht versus uitbreiding
  5. De rol van donkere energie
  6. Dood en wedergeboorte

De oerknal

Hoewel veel mensen geloven dat de oerknaltheorie verwijst naar een explosie, het verwijst eigenlijk naar de uitdijing van het universum. 2008 Hoe werkt het

Hoewel How the Big Bang Theory Works de oorsprong van het universum in detail beschrijft, het is handig om hier de basis te behandelen. De korte versie gaat als volgt:ongeveer 15 miljard jaar geleden, alle materie en energie werd gebotteld in een ongelooflijk kleine regio die bekend staat als a singulariteit . In een handomdraai, dit ene punt van superdicht materiaal begon verbazingwekkend snel uit te zetten. Astronomen begrijpen niet helemaal waarom de expansie begon, maar ze gebruiken de term 'oerknal' om zowel de singulariteit als de eerste paar momenten die volgden te beschrijven.

Toen het pasgeboren universum uitdijde, het begon af te koelen en werd minder dicht. Denk aan een stoomstraal die uit een waterkoker komt. In de buurt van het tuitdeksel, de stoom is behoorlijk heet, en de stoommoleculen zijn geconcentreerd in een besloten ruimte. Terwijl de stoom zich van de ketel verwijdert, echter, de stoom koelt af terwijl de moleculen zich door je keuken verspreiden. Hetzelfde gebeurde na de oerknal. Binnen ongeveer 300, 000 jaar, alles wat binnen de singulariteit werd gehouden, was uitgegroeid tot een ziedend, ondoorzichtige sfeer van materie en straling. Zoals het deed, de temperatuur zakte naar 5, 432 graden Fahrenheit (3, 000 graden Celsius), waardoor stabielere deeltjes kunnen worden gevormd. Eerst kwamen elektronen en protonen, die vervolgens gecombineerd om waterstof- en heliumatomen te vormen.

Het heelal bleef uitdijen en dunner worden. Je zou in de verleiding kunnen komen om je dit jonge universum voor te stellen als een stoofpot, met klonten materie drijvend in dikke jus. Maar astronomen denken nu dat het meer een soep was, zeer glad in dichtheid op enkele kleine fluctuaties na. Deze verstoringen waren net significant genoeg om materie te laten samenvloeien. Enorme clusters van protosterrenstelsels begon te vormen. De protosterrenstelsels zijn uitgegroeid tot sterrenstelsels , grote eilanden van gas en stof waaruit miljarden sterren zijn voortgekomen. Rond enkele van die sterren, zwaartekracht trok rotsen samen, ijs en andere materialen om planeten te vormen. Op ten minste één van die planeten, het leven is geëvolueerd, zo'n 11 miljard jaar nadat de oerknal het allemaal begon.

vandaag, het heelal blijft uitdijen, en astronomen hebben bewijs om het te bewijzen. Volgende, we gaan wat van dat bewijs onderzoeken.

Bewijs voor de oerknal

Als de oerknaltheorie klopt, dan zouden astronomen de uitdijing van het heelal moeten kunnen detecteren. Edwin Hubble, de naamgenoot van de Hubble-ruimtetelescoop, was een van de eerste wetenschappers die deze expansie observeerde en meet. 1929, hij studeerde de spectrum , of regenbogen, van verre sterrenstelsels door het licht van deze objecten door een prisma op zijn telescoop te laten gaan. Hij merkte op dat het licht dat uit bijna elk sterrenstelsel kwam, naar het rode einde van het spectrum verschoof. Om de waarneming te verklaren, hij wendde zich tot de Doppler effect , een fenomeen dat de meeste mensen associëren met geluid. Bijvoorbeeld, als een ambulance ons op straat nadert, de toonhoogte van de sirene lijkt toe te nemen; als het voorbijgaat, de toonhoogte neemt af. Dit gebeurt omdat de ambulance ofwel de geluidsgolven inhaalt die het creëert (verhoogde toonhoogte) of zich ervan verwijdert (verlaagde toonhoogte).

Hubble redeneerde dat lichtgolven gecreëerd door sterrenstelsels zich op dezelfde manier gedroegen. Als een verre melkweg naar onze melkweg zou haasten, hij betoogde, het zou dichter bij de lichtgolven komen die het produceerde, wat de afstand tussen golftoppen zou verkleinen en de kleur zou verschuiven naar het blauwe uiteinde van het spectrum. Als een verre melkweg van ons melkwegstelsel zou wegsnellen, het zou weggaan van de lichtgolven die het aan het creëren was, wat de afstand tussen golftoppen zou vergroten en de kleur zou verschuiven naar het rode uiteinde van het spectrum. Nadat hij consequent roodverschuivingen had waargenomen, Hubble ontwikkelde wat we noemen Wet van Hubble :Melkwegstelsels bewegen van ons af met een snelheid die evenredig is met hun afstand tot de aarde.

vandaag, de roodverschuivingen van verre hemellichamen vormen een sterk bewijs dat het heelal uitdijt. Maar alles wat zich uitbreidt, moet uiteindelijk stoppen, Rechtsaf? Zal het universum niet net als een bal die in de lucht wordt gegooid, een maximum punt van expansie bereiken, stoppen en dan terugvallen naar waar het begon? Zoals we hierna zullen zien, dat is een van de drie mogelijke scenario's.

Achtergrondcontrole

Sterk bewijs voor de oerknal komt ook van de kosmische microgolfachtergrondstraling (CMB). Deze magnetrons zijn van dezelfde soort die u gebruikt om voedsel in uw keuken te bereiden, behalve dat ze over het hele universum verspreid zijn. In feite, ze zijn zo gelijkmatig door de ruimte verspreid dat astronomen nu geloven dat de CMB-straling de echo is van de oerknal, de stervende zucht van de explosie die geboorte gaf aan de kosmos die we vandaag kennen.

Voorbij de oerknal

Hoe dingen werken

Bijna alle astronomen accepteren dat het heelal uitdijt. Wat er daarna gebeurt, is het echte mysterie. Gelukkig, er zijn maar drie echte mogelijkheden:het universum kan open zijn, vlak of gesloten.

Universum openen. In dit scenario, het universum zal voor altijd uitdijen, en zoals het is, de materie die het bevat zal zich dunner en dunner verspreiden. Eventueel, sterrenstelsels zullen zonder grondstoffen komen te zitten die ze nodig hebben om nieuwe sterren te maken. Sterren die al bestaan, zullen langzaam uitdoven, als stervende sintels. In plaats van vurige wiegen, sterrenstelsels worden doodskisten gevuld met stof en dode sterren. Op dat punt, het universum zal donker worden, koud en, helaas voor ons, levenloos.

Plat Universum . Stel je een knikker voor die op een oneindig lang houten oppervlak rolt. Er is net genoeg wrijving om de knikker te vertragen, maar niet genoeg om het snel te doen. De knikker zal lang rollen, uiteindelijk uitrollen tot een langzame en zachte stop. Dit is wat er zal gebeuren met een plat universum. Het verbruikt alle energie van de oerknal en, evenwicht bereiken, kust tot stilstand komen ver in de toekomst. Op veel manieren, dit is slechts een variatie op het open universum omdat het zal duren, letterlijk, voor altijd voor het heelal om het evenwichtspunt te bereiken.

Gesloten universum . Bind het ene uiteinde van een bungee-koord aan je been, het andere uiteinde naar de reling van een brug en spring er dan af. Je accelereert snel naar beneden totdat je het koord begint uit te rekken. Naarmate de spanning toeneemt, het snoer vertraagt ​​geleidelijk je afdaling. Eventueel, je komt volledig tot stilstand, maar eventjes als het snoer, tot het uiterste uitgerekt, rukt je terug naar de brug. Astronomen denken dat een gesloten heelal zich ongeveer hetzelfde zal gedragen. De expansie zal vertragen totdat het een maximale grootte bereikt. Dan zal het terugdeinzen, op zichzelf terugvallen. Zoals het doet, het universum zal dichter en heter worden totdat het eindigt in een oneindig hete, oneindig dichte singulariteit.

Een gesloten universum zal leiden tot een big crunch - het tegenovergestelde van de oerknal. Maar wat is de kans dat een gesloten heelal waarschijnlijker is dan een open of plat heelal? Astronomen beginnen met een aantal weloverwogen gissingen te komen.

Zwaartekracht versus uitbreiding

Om te bepalen of het heelal voor altijd zal uitdijen, kust tot stilstand of instorting op zichzelf, astronomen moeten beslissen welke van de twee tegengestelde krachten een kosmisch touwtrekken zal winnen. Een van deze krachten is het knalgedeelte van de oerknal - de explosie die het universum in alle richtingen naar buiten katapulteerde. De andere kracht is de zwaartekracht, de aantrekkingskracht die het ene object op het andere uitoefent. Als de zwaartekracht in het heelal sterk genoeg is, het zou kunnen heersen in de expansie en ervoor zorgen dat het universum samentrekt. Als niet, het heelal zal voor altijd blijven uitdijen.

Hoewel astronomen weten dat het heelal uitdijt, ze kunnen de kracht die verantwoordelijk is voor de expansie niet precies meten. In plaats daarvan, ze proberen de dichtheid van het heelal te meten. Hoe hoger de dichtheid, hoe groter de zwaartekracht. Door deze logica toe te passen, er moet een dichtheidsdrempel zijn -- een kritische limiet -- die zal bepalen of de zwaartekracht in het universum sterk genoeg is om de uitdijing te stoppen en alles weer op te rollen. Als de dichtheid groter is dan de kritische limiet, dan stopt het heelal met uitdijen en begint te krimpen. Als het minder is dan de kritieke limiet, dan zal het heelal voor altijd uitdijen. Astronomen stellen dit wiskundig voor met de volgende vergelijking:

Ω =werkelijke gemiddelde dichtheid/kritische dichtheid

Als omega (Ω) groter is dan 1, dan is het heelal gesloten. Als het minder dan 1 is het universum zal open zijn. En als het gelijk is aan 1, het universum zal plat zijn. Op basis van de materie die we kunnen zien, zoals sterrenstelsels, sterren en planeten, de dichtheid van het heelal lijkt onder de kritische waarde te liggen. Dit zou een open universum suggereren dat voor altijd zal uitdijen. Maar kosmologen denken dat er een ander soort materie is dat niet kan worden gezien. Dit donkere materie kan veel meer van het universum uitmaken dan gewoon, zichtbare materie en kan voldoende zwaartekracht hebben om te stoppen, en dan achteruit, de uitbreiding.

Onlangs, astronomen hebben enkele waarnemingen gedaan die aangeven dat er nog een ander onzichtbaar materiaal in de kosmos is: donkere energie . Kan donkere energie het lot van het universum diepgaand beïnvloeden?

We zijn groot op " Groot "

De term "big bang" begon als een grap - een denigrerende opmerking van astronoom Fred Hoyle. Maar de naam bleef hangen en bracht een reeks nomenclatuur-knock-offs voort. Een universum dat voor altijd uitdijt, zal een "grote kou" of een "grote bevriezing" opleveren. Een universum dat instort tot een singulariteit en weer naar buiten explodeert, zal een "big crunch" ervaren, gevolgd door een "big bounce". En een universum dat evenwicht bereikt en niets doet, wordt een 'grote boring'.

De rol van donkere energie

Hier links afgebeeld en uitvergroot is een supernova die door Hubble op camera werd vastgelegd en die 10 miljard jaar geleden explodeerde. Genaamd 1997ff, het ondersteunde in hoge mate de argumenten voor het bestaan ​​van donkere energie die de kosmos doordringt. Foto met dank aan NASA-GSFC

Net zoals astronomen worstelden met de impact van donkere materie, ze deden een ontdekking waardoor ze weer terug naar het bord gingen. De ontdekking kwam in 1998, toen 's werelds beste telescopen dat type onthulden IA supernova's -- stervende sterren die allemaal dezelfde intrinsieke helderheid hebben -- stonden verder van ons melkwegstelsel dan ze hadden moeten zijn. Om deze waarneming te verklaren, astronomen suggereerden dat de uitdijing van het heelal in feite versnelt of versnelt. Maar waardoor zou de uitbreiding sneller gaan? Is de zwaartekracht die inherent is aan donkere materie niet sterk genoeg om een ​​dergelijke expansie te voorkomen?

Zoals het blijkt, er is meer aan het kosmische verhaal dan eerder werd gedacht. Sommige kosmologen denken nu dat er iets anders - iets dat net zo onverklaarbaar en niet waarneembaar is als donkere materie - op de loer ligt in het universum. Ze verwijzen soms naar dit onzichtbare spul als: donkere energie . In tegenstelling tot de zwaartekracht, die aan het heelal trekt en zijn uitdijing vertraagt, donkere energie duwt op het universum en werkt om de uitdijing te versnellen. En er is veel van. Astronomen schatten dat het heelal voor 73 procent uit donkere energie bestaat. Donkere materie, ze denken, maakt nog eens 23 procent uit, en gewone materie - de dingen die we kunnen zien - vormen een schamele 4 procent [bron:Brecher]. Met zulke aantallen en gezien het feit dat donkere energie een inflatoire kracht is, het is gemakkelijk om te zien hoe de grote crunch misschien helemaal nooit zal plaatsvinden.

interessant, Albert Einstein voorspelde het bestaan ​​van donkere energie al in 1917 toen hij probeerde de vergelijkingen van zijn algemene relativiteitstheorie in evenwicht te brengen. Hij noemde het destijds geen donkere energie. Hij noemde het de kosmologische constante en noemde het lambda in zijn berekeningen. Hoewel hij het niet kon bewijzen, Einstein dacht dat er een afstotende kracht in het universum moest zijn om alles zo gelijkmatig te verspreiden. Eventueel, hij herriep, Lambda zijn grootste blunder noemen.

Nu, wetenschappers vragen zich af of Einstein misschien weer eens gelijk had -- tenzij, natuurlijk, hij heeft het mis. Volgende, we zullen onderzoeken waarom sommigen de big crunch nog steeds hoog in het vaandel hebben staan ​​en waarom dit misschien niet het einde van het universum is, maar een tweede begin.

Dood en wedergeboorte

De grote sprong neemt de levenscyclus van het universum over HowStuffWorks

Duidelijk, er is geen eenvoudig antwoord als het gaat om het voorspellen van het lot van het universum. Maar laten we ons even voorstellen dat de dichtheid van het heelal boven de kritische waarde ligt die nodig is om de uitdijing te stoppen. Dit zou leiden tot de grote crunch, wat in veel opzichten zou zijn als het indrukken van de terugspoelknop op een videorecorder. Terwijl de zwaartekracht in het universum alles terugtrok, melkwegclusters zouden dichter bij elkaar komen. Dan zouden individuele sterrenstelsels beginnen samen te smelten totdat, na miljarden jaren, één megasterrenstelsel zou vormen.

In deze gigantische ketel, sterren zouden samensmelten, waardoor de hele ruimte heter wordt dan de zon. Eventueel, sterren zouden exploderen en zwarte gaten zouden ontstaan, eerst langzaam en dan sneller. Toen het einde naderde, de zwarte gaten zouden alles om hen heen opzuigen. Zelfs zij zouden op een gegeven moment samenvloeien om een ​​monsterlijk zwart gat te vormen dat het universum zou sluiten als een zak met trekkoord. Aan het einde, niets zou overblijven dan een super hete, superdichte singulariteit -- het zaad van een ander universum. Veel astronomen denken dat het zaadje zou ontkiemen in een "grote sprong, "het hele proces opnieuw beginnen.

Dat is niet de enige theorie. Een paar kosmologen, onder leiding van Paul J. Steinhardt van Princeton University en Neil Turok van Cambridge University, hebben onlangs betoogd dat de big chill en de big crunch elkaar niet uitsluiten. Hun model werkt als volgt:het universum begon met de oerknal, die werd gevolgd door een periode van langzame expansie en geleidelijke accumulatie van donkere energie. Dit is waar we vandaag zijn. Wat er daarna gebeurt, is hoogst speculatief, maar Steinhardt en Turok geloven dat de donkere energie zich zal blijven ophopen en, zoals het doet, kosmische versnelling zal stimuleren. Het heelal zal nooit stoppen met uitdijen, maar zal zich over triljoenen jaren verspreiden, het uitrekken van alle materie en energie tot zo'n extreem dat ons ene universum zal worden gescheiden in meerdere universums. Binnen deze universa, de mysterieuze donkere energie zal materialiseren in normale materie en straling. Dit zal een nieuwe oerknal veroorzaken -- misschien meerdere -- en een nieuwe expansiecyclus.

Als je verontrust bent door al dat gepraat over kraken en uitbreiden, je kunt troost putten uit de wetenschap dat het lot van het universum niet over miljarden zal worden bepaald, misschien zelfs biljoenen, van jaren. Dat geeft je voldoende tijd om je te concentreren op dingen die wat zekerder zijn, zoals uw eigen levenscyclus van geboorte, groei en dood.

Oorspronkelijk gepubliceerd:2 maart, 2009

Veelgestelde vragen over Big Crunch Theorie

Wat zijn drie mogelijke lotgevallen van het universum?
Drie lotgevallen van het universum die wetenschappers hebben gedreven, zijn de grote crunch, waar het universum samendrukt, of kraakt weer samen tot een singulariteit, de grote scheur, waar het heelal blijft uitdijen en uiteindelijk uit elkaar scheurt, en een derde idee genaamd de grote bevriezing waar het universum blijft uitdijen, stervorming eindigt uiteindelijk en het enige dat overblijft zijn zwarte gaten.
Wat is de theorie van de grote crunch?
Volgens deze theorie is het universum zal op een dag stoppen met uitdijen. Vervolgens, terwijl de zwaartekracht aan de materie trekt, het universum zal beginnen samen te trekken, naar binnen vallend totdat het weer is ingestort in een superhete, superdichte singulariteit.
Is de grote crunch mogelijk?
Gelukkig, de grote crunch is geen garantie. Kosmologen zijn momenteel verwikkeld in een heet debat. Eén kamp zegt dat de soufflé zal vallen; het andere kamp zegt dat de soufflé voor altijd zal uitbreiden. Het zal miljarden jaren duren voordat we zeker weten welk kamp de juiste is.
Hoe eindigt het universum volgens de big crunch-theorie?
Als de theorie klopt, het universum is als een gigantische soufflé. Het begint klein, zet dan uit als het opwarmt. Eventueel, echter, de soufflé koelt af en begint in te storten.
Wat is de big bounce-theorie?
Aan het einde van de grote crisis, niets zou overblijven dan een super hete, superdichte singulariteit, of het zaad van een ander universum. Veel astronomen denken dat het zaadje zou ontkiemen in een "grote sprong, "het hele proces opnieuw beginnen.

Veel meer informatie

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

  • Hoe de oerknaltheorie werkt
  • Kunnen wetenschappers de oerknal nabootsen?
  • Heeft ruimte een vorm?
  • Is er een gat in het heelal?
  • Hoe donkere materie werkt
  • Hoe zwarte gaten werken
  • Hoe speciale relativiteit werkt
  • Hoe sterren werken
  • Hoe licht werkt

Meer geweldige links

  • NOVA Online:Op hol geslagen universum
  • Windows to the Universe:The Big Crunch
  • WMAP:Het lot van het heelal
  • NASA voorbij Einstein
  • Marshall Space Flight Center:Dark Energy Video Release

bronnen

  • BES, Dana. "Smithsonian intieme gids voor de kosmos." Madison Persboek. 2004.
  • Brecher, Kenneth. "Universum." Wereldboek multimedia-encyclopedie. 2004.
  • Bucher, Martin A. en David N. Spergel. "Inflatie in een heelal met lage dichtheid." Wetenschappelijke Amerikaan. januari 1999.
  • Genesis Zoeken naar oorsprong. "Kosmische Touwtrekken." (5 februari, 2009) genesismission.jpl.nasa.gov/educate/scimodule/Cosmogony/CosmogonyPDF /CosmicTugOfWarTG.pdf
  • moeilijker, Ben. "Universum eindeloos herboren in nieuw model van de kosmos." National Geographic-nieuws. 25 april 2002. (5 februari, 2009) http://news.nationalgeographic.com/news/2002/04/0425_020425_universe.html
  • Hawking, Stefanus. "The Illustrated A Brief History of Time / The Universe in een notendop." Bantam Boeken. 1996.
  • Citroen, Michael D. "Vóór de oerknal." Ontdek Tijdschrift. 5 februari 2004. (5 februari, 2009) http://discovermagazine.com/2004/feb/cover/?searchterm=big%20crunch
  • Muir, Hazel. "Het universum kan nog instorten in een grote crisis." 6 september 2002. (5 februari, 2009) http://www.newscientist.com/article/dn2759-universe-might-yet-collapse-in-big-crunch.html
  • Musser, George. "Er geweest, Gedaan." Scientific American. Maart 2002.
  • Peebles, P. James, David N. Schramm, Edwin L. Turner en Richard G. Kron. "De evolutie van het heelal." Wetenschappelijke Amerikaan. Oktober 1994.
  • Perlutter, Saulus. "Supernova's, Donkere energie, en het versnellende heelal." Physics Today. April 2003.
  • Ronan, Colin A. "Universum:de kosmos verklaard." Kwantum boeken. 2007.
  • Tarbok, Edward J. en Frederick K. Lutgens. "Aardwetenschappen, Elfde editie. Pearson Education, Inc 2006.

Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Welke moleculen kunnen er zonder hulp door het plasmamembraan passeren?
  2. Belang van aërobe celbeademing
  3. Wat zijn de functies van koolhydraten in planten en dieren?
  4. Rangschikken met behulp van een vierkantswortelcurve
  5. Fungus Vs. Mold
  6. Centriole: definitie, functie en structuur
  7. Wat zijn de functies van mRNA & tRNA?
  8. Hoe werkt het skelet met het ademhalingssysteem?
  9. De delen van een Firefly Bug

Wetenschap