Kijk omhoog op een heldere nacht en elke ster, planeet en gloeiende nevel die je kunt zien, behoort tot een klein minderheid. Donkere materie vormt 85% van de totale massa van het universum, terwijl donkere materie en donkere energie samen 95% van zijn totale massa-energieinhoud vormen. Normale materie – alles wat uit atomen bestaat, inclusief elke ster en elke lezer van deze pagina – is daar niet mee te vergelijken.
Het universum is alles: alle materie, energie en de structuren die ze vormen, van subatomaire deeltjes tot galactische filamenten. Het is sinds 13,8 miljard jaar aan het expanderen, beginnend met een dichte vuurbal in de Big Bang, en kosmologen hebben het afgelopen eeuw besteed aan het bepalen van hoe vreemd die expansie, en haar inhoud, eigenlijk zijn.
Een Bel 93 Miljard Lichtjaar Breed
Het deel van het universum dat we echt kunnen observeren is een bol gecentreerd op de Aarde. De juiste afstand tussen de Aarde en de rand van dat waarneembare universum is 46 miljard lichtjaar, waardoor de hele bel ongeveer 93 miljard lichtjaar breed is. Dit getal verrast mensen die aannemen dat "13,8 miljard jaar oud" het zichtbare universum zou beperken tot een straal van 13,8 miljard lichtjaar.
De verklaring is dat licht en ruimte twee verschillende dingen doen. Licht van de rand van het waarneembare universum reist sinds bijna de 13,8 miljard jaar oud van het universum, maar de juiste afstand tot die rand is groter, omdat de rand en de Aarde uit elkaar zijn blijven gaan terwijl de ruimte zelf tijdens de reis uitbreidde. Het licht is oud; de ruimte die het doorkruiste, is eronder blijven uitrekken.
Niemand weet hoe groot het totale universum is – alleen hoeveel ervan we van hier af kunnen zien. De 93-miljard-lichtjaar-cijfer is een horizon, geen muur.
Meer Sterren Dan Zandkorreltjes Op Elk Strand
Binnen die horizon worden de getallen bijna absurd. Het waarneembare universum bevat naar schatting 2 biljoen sterrenstelsels en over het geheel genomen naar schatting 10^24 sterren – meer sterren dan alle zandkorrels op elk strand op Aarde.
Deze vergelijking is niet alleen een retorische figuur; het is het soort getal dat ophoudt iets te betekenen zodra je het probeert voor te stellen. Twee biljoen sterrenstelsels is ongeveer 250 sterrenstelsels per persoon die nu leeft, en elk van die sterrenstelsels kan zelf honderden miljarden sterren bevatten. De Melkweg is een sterrenstelsel onder dat aantal, orbitaal niets bijzonders, op geen bijzondere plaats.
Een Universum Dat 95% Onzichtbaar Is
Hier is het deel dat natuurkundigen 's nachts wakker houdt: het meeste van die massa-energie bestaat helemaal niet uit atomen. De massa-energiedichtheid van het universum is 68% donkere energie, 27% donkere materie en 5% normale materie – het spul van sterren, planeten en mensen.
.jpg){kind=link}
Donkere materie alleen vormt naar schatting 26,8% van de totale massa-energie van het universum maar 84,5% van de totale materie erin. Met andere woorden: wanneer astronomen over "materie" in kosmische zin spreken, is vijf van elke zes eenheden donkere materie, geen atomen. Het stoot niet uit, absorbeert of reflecteert licht, en zijn aanwezigheid wordt volledig uit zijn zwaartekracht afgeleid – het verschijnt gewoon niet in de 5% die we rechtstreeks kunnen detecteren.
Zelfs de 5% gelabeld als "normale materie" is misleidend als je sterren voorstelt. Het grootste deel van de normale materie in het universum is onzichtbaar, omdat zichtbare sterren en gas binnen sterrenstelsels en clusters minder dan 10% uitmaken van de bijdrage van normale materie aan de massa-energiedichtheid van het universum. De meeste atomen die bestaan, gloeien nergens – het is diffuus gas verspreid tussen en rond sterrenstelsels, nooit dicht genoeg om te ontsteken.
Tien Miljard Tot Één: Hoe Materie Won
Volgens de natuurkunde zou de Big Bang materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden hebben gecreëerd, die elkaar in zuivere energie zouden hebben vernietigd en niets achter zouden hebben gelaten – geen sterrenstelsels, geen sterren, geen lezers. Het is duidelijk niet zo gegaan: het universum heeft tien miljard keer meer materie dan antimaterie.
Deze ongelijke verhouding is één van de kosmologie's openstaande raadsels, en het is ook de reden waarom er iets bestaat. Zelfs met materies voordeel tien miljard tot één, is het resulterende universum nog steeds opmerkelijk dun. De gemiddelde dichtheid van het universum, verspreid over al die ruimte, is ongeveer 1 proton per 200 liter – leger dan de beste vacuümkamer ooit op Aarde gebouwd.
De Oudste Foto Van Het Universum
De kosmische microgolfachtergrond, of CMB, is het dichtst bij wat kosmologie een babyfoto heeft. Het is de restvlaststralingsstraling van ongeveer 380.000 jaar na de Big Bang, toen de temperatuur van het universum voor het eerst tot het punt daalde waar atoomkernen met elektronen konden combineren om neutrale atomen te vormen, waardoor licht voor het eerst vrij kon reizen.
Die restvlam is sindsdien afgekoeld. Vandaag heeft de CMB een thermisch zwartlichaamsspectrum bij een temperatuur van 2,72548±0,00057 K – enkele graden boven het absolute nulpunt, uniform over de hele lucht.
Het werd bijna per ongeluk ontdekt. De ontdekking van de CMB in 1964 door de Amerikaanse radioastronomen Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson was het hoogtepunt van werk dat in de jaren 1940 was gestart; ze probeerden ruis uit een radioantenne te elimineren en ontdekten in plaats daarvan de restvraagwarmte van de Big Bang zelf.
De CMB is ook bijna, maar niet helemaal, volkomen glad. Het is isotroop op ongeveer één deel in 25.000, met gemiddelde kwadratische variaties van net iets meer dan 100 μK zodra de dipoolwagen veroorzaakt door onze eigen beweging is afgetrokken. Deze dipool is zelf een feit dat het waard is om te weten: het wordt veroorzaakt door de eigen bijzondere snelheid van de Zon van 369,82±0,11 km/s ten opzichte van het comotieve kosmische rustframe, terwijl het zonnestelsel richting sterrenbeeld Crater zweeft dicht bij zijn grens met Leo. Zelfs wanneer je stil op Aarde staat, word je door het oudste licht van het universum met die snelheid vervoerd.
De Duw Die Wint
Donkere energie is de vreemdste inzet in de mix, juist omdat het zo dun is. De dichtheid van donkere energie is zeer laag, ongeveer 7×10−30 g/cm3, veel lager dan de dichtheid van normale materie of donkere materie in sterrenstelsels. Een enkel sterrenstelsel pakt veel meer massa in zijn volume dan donkere energie doet over dezelfde ruimte.
En toch domineert het universum's algehele energiebudget, want in tegenstelling tot materie verdunt het niet als ruimte uitbreidt – het vult elke nieuwe kubieke meter ruimte met dezelfde lage dichtheid, en ruimte blijft meer kubieke meters maken. Het bewijs dat deze duw echt is, niet theoretisch, kwam in 1999: het Supernova Cosmology Project vond bewijs dat de expansie van het universum versnelt, in plaats van onder zijn eigen zwaartekracht af te nemen zoals astronomen hadden aangenomen. Iets duwde terug tegen zwaartekracht op de grootste schaal, en het heeft gewonnen sinds.
De Verste Rand Van Wat We Kunnen Zien
Aan de buitenrand van het waarneembare universum zit de huidige recordhouder voor afstand: het meest afgelegen geïdentificeerde astronomische object is een sterrenstelsel geclassificeerd als MoM-z14, met een roodverschuiving van 14,44. Zijn licht is vertrokken toen het universum een klein deel van zijn huidige leeftijd was, en reist sindsdien naar ons.
.jpg){kind=link}
Zoom terug naar de schaal van sterrenstelselclusters en superclusters, en de structuur van het universum voelt uiteindelijk op. Bij schaal tussen 30 en 200 megaparsecs lijkt er geen voortdurende grootschalige structuur in het universum te zijn, een verschijnsel genaamd het Einde van Grootte – voorbij die grootte wijkt het kosmische web van filamenten en voids voor een universum dat statistisch hetzelfde in alle richtingen lijkt. Structuur heeft een plafond; uniformiteit niet.