Als het gaat om onze kosmische oorsprong, zijn in de loop van de geschiedenis een aantal theorieën naar voren gebracht. Letterlijk elke cultuur die ooit heeft bestaan, heeft zijn eigen mythologische traditie, waaronder natuurlijk een scheppingsverhaal. Met de geboorte van de wetenschappelijke traditie begonnen wetenschappers het universum te begrijpen in termen van fysische wetten die getest en bewezen konden worden.
Met het aanbreken van het ruimtetijdperk begonnen wetenschappers kosmologische theorieën te testen in termen van waarneembare verschijnselen. Uit dit alles kwamen in de tweede helft van de 20e eeuw een aantal theorieën naar voren die probeerden uit te leggen hoe alle materie en de fysische wetten die eraan ten grondslag lagen, tot stand kwamen. Hiervan blijft de oerknaltheorie het meest geaccepteerd, terwijl de steady-state hypothese van oudsher de grootste uitdager is geweest.
Het Steady-State-model stelt dat de dichtheid van materie in het uitdijende heelal in de tijd onveranderd blijft door de voortdurende creatie van materie. Met andere woorden, het waarneembare heelal blijft in wezen hetzelfde, ongeacht tijd of plaats. Dit staat in schril contrast met de theorie dat het grootste deel van de materie in één enkele gebeurtenis (de oerknal) is ontstaan en sindsdien steeds groter wordt.
Oorsprong
Hoewel het idee van een stabiel en onveranderlijk universum door de geschiedenis heen is omarmd, begonnen wetenschappers pas in de vroegmoderne tijd dit in astrofysische termen te interpreteren. Het eerste duidelijke voorbeeld van dit argument in de context van astronomie en kosmologie was in Isaac Newton's Wiskundige principes van de natuurfilosofie (Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica) gepubliceerd in 1687.
In het magnum opus van Newton stelde hij het heelal buiten het zonnestelsel voor als een lege ruimte die zich in alle richtingen uniform uitstrekte tot onmetelijke afstanden. Hij legde verder door middel van wiskundige bewijzen en observaties uit dat alle beweging en dynamiek in dit systeem werden verklaard door het enkele principe van universele zwaartekracht.
Maar wat bekend zou worden als de steady state hypothese kwam pas in het begin van de 20e eeuw op. Dit kosmologische model is geïnspireerd door een aantal ontdekkingen en doorbraken op het gebied van de theoretische fysica. Deze omvatten de theorie van algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein en de waarnemingen van Edwin Hubble dat het heelal in een staat van expansie verkeert.
Einstein formaliseerde deze theorie tegen 1915 nadat hij had besloten zijn theorie van speciale relativiteitstheorie uit te breiden met zwaartekracht. Uiteindelijk stelt deze theorie dat de zwaartekracht van materie en energie direct de kromming van de ruimtetijd eromheen verandert. Of zoals de beroemde theoretische natuurkundige John Wheeler het samenvatte, 'ruimtetijd vertelt de materie hoe ze zich moet verplaatsen; materie vertelt ruimte-tijd hoe te buigen. '
Tegen 1917 toonden theoretische berekeningen op basis van Einsteins veldvergelijkingen aan dat het heelal in een staat van expansie of contractie moest verkeren. Tegen 1929 toonden observaties van George Lemaitre (die de oerknaltheorie voorstelde) en Edwin Hubble (met behulp van de 100-inch Hooker-telescoop op het Mount Wilson-observatorium) aan dat dit laatste het geval was.
Op basis van deze openbaringen begon in de jaren dertig een debat over de mogelijke oorsprong en ware aard van het heelal. Aan de ene kant waren er mensen die beweerden dat het heelal eindig was in leeftijd en in de loop van de tijd is geëvolueerd door afkoeling, uitzetting en de vorming van structuren als gevolg van ineenstorting van de zwaartekracht. Deze theorie werd satirisch de 'Big Bang' genoemd door Fred Hoyle, en de naam bleef hangen.
Ondertussen hield de meerderheid van de astronomen destijds vast aan de theorie dat het waarneembare heelal weliswaar uitbreidt, maar niet verandert in termen van materiedichtheid. Kortom, voorstanders van deze theorie beweerden dat het heelal geen begin, geen einde heeft en dat materie in de loop van de tijd voortdurend wordt gecreëerd - met een snelheid van één waterstofatoom per kubieke meter per 100 miljard jaar.
Deze theorie breidde ook het kosmologische principe van Einstein uit, ook bekend als. Kosmologische constante (CC), die Einstein in 1931 voorstelde. Volgens Einstein was deze kracht verantwoordelijk voor het "tegenhouden van de zwaartekracht" en ervoor te zorgen dat het heelal stabiel, homogeen en isotroop bleef in termen van zijn grootschalige structuur.
Door dit principe te wijzigen en uit te breiden, voerden leden van de Steady State-denkrichting aan dat het de voortdurende schepping van materie was die ervoor zorgde dat de structuur van het heelal in de loop van de tijd hetzelfde bleef. Dit staat ook wel bekend als het perfecte kosmologische principe, dat de steady state hypothese losmaakt.
De Steady State-theorie werd in 1948 algemeen bekend met de publicatie van twee artikelen: "A New Model for a Expanding Universe" door de Engelse astronoom Fred Hoyle, en "The Steady-State Theory and the Expanding Universe" door de Brits-Oostenrijkse astrofysicus en kosmoloogteam van Hermann Bondi en Thomas Gold.
Belangrijkste argumenten en voorspellingen
Argumenten voor de steady state-hypothese zijn onder meer het schijnbare tijdschaalprobleem dat wordt opgewekt door de waargenomen snelheid van kosmische expansie (ook bekend als de Hubble-constante of de Hubble-Lemaitre-wet). Op basis van Hubble's waarnemingen van nabije sterrenstelsels, berekende hij dat het heelal zich uitbreidde met een snelheid die systematisch toenam met de afstand.
Hierdoor ontstond het idee dat het heelal begon uit te breiden vanuit een veel kleiner volume. Bij gebrek aan versnelling / vertraging - 500 km / s per Megaparsec (310 mps per Mpc) - betekende de Hubble-constante dat alle materie zich ongeveer 2 miljard jaar uitbreidde - wat ook de hogere leeftijd van het heelal zou zijn.
Deze bevinding werd tegengesproken door radioactieve datering, waarbij wetenschappers het verval van de afzettingen van uranium-238 en plutonium-205 in gesteentemonsters maten. Met behulp van deze methode werden de oudste gesteentemonsters (die van oorsprong maan waren) geschat op 4,6 miljard jaar oud. Een andere ongerijmdheid kwam naar voren als gevolg van de stellaire evolutietheorie.
Kortom, de snelheid waarmee waterstof wordt gefuseerd in het binnenste van sterren (om helium te creëren) levert een hogere leeftijdsschatting op van 10 miljard jaar voor bolhopen - de oudste sterren in de melkweg. Bovendien had in dit model - wat zou betekenen dat radiobronnen - ook bekend als: geen evolutie op grote afstanden kunnen plaatsvinden. quasars of Active Galactic Nuclei (AGNs) - zouden uniform zijn in het hele universum.
Het zou ook betekenen dat de Hubble-constante (zoals berekend aan het begin van de 20e eeuw) constant zou blijven. Het Steady-State-model voorspelde ook dat de gestage creatie van antimaterie en neutronen zou resulteren in regelmatige vernietigingen en verval van neutronen, wat zou leiden tot het bestaan van een gammastraalachtergrond en heet, röntgenstralend gas door het hele heelal.
Big Bang For The Win
Doorlopende observaties in de jaren vijftig en zestig leidden echter gestaag tot een opeenhoping van bewijs tegen de steady state hypothese. Deze omvatten de ontdekking van heldere radiobronnen (ook bekend als quasars en radiostelsels) die werden ontdekt in verre sterrenstelsels, maar niet in de dichtste bij ons - wat aangeeft dat veel sterrenstelsels in de loop van de tijd 'radio-stil' werden.
In 1961 maakten enquêtes naar radiobronnen het mogelijk statistische analyses te maken, wat de mogelijkheid uitsluit dat heldere radiostelsels gelijkmatig werden verdeeld. Een ander belangrijk argument tegen de steady state hypothese was de ontdekking van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) in 1964, die het oerknalmodel voorspelde.
Gecombineerd met de afwezigheid van een gammastraalachtergrond en doordringende wolken van röntgenstralend gas, werd het Big Bang-model in de jaren zestig algemeen geaccepteerd. Tegen de jaren negentig waren waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop en andere observatoria ontdekten ook dat kosmische expansie in de tijd niet consistent is geweest. In de afgelopen drie miljard jaar is het zelfs aan het versnellen.
Dit heeft geleid tot verschillende verfijningen van de Hubble Constant. Gebaseerd op gegevens verzameld door de Wilkinson Microgolfanisotropiesonde (WMAP), wordt de snelheid van kosmische expansie momenteel geschat tussen 70 en 73,8 km / s per Mpc (43,5 tot 46 mps per Mpc) met een foutmarge van 3%. Deze waarden komen veel meer overeen met waarnemingen die de leeftijd van het heelal op ongeveer 13,8 miljard jaar plaatsen.
Moderne varianten
Vanaf 1993 begonnen Fred Hoyle en astrofysici Geoffrey Burbidge en Jayant V. Narlikar een reeks studies te publiceren waarin ze een nieuwe versie van de Steady State Hypothese voorstelden. Bekend als de Quasi-Steady-State-hypothese (QSS), probeerde deze variatie kosmologische verschijnselen te verklaren waar de oude theorie geen verklaring voor bood.
Dit model suggereert dat het universum het resultaat is van scheppingszakken (ook wel mini-pony's genoemd) die in de loop van vele miljarden jaren zijn gebeurd. Dit model werd aangepast als reactie op gegevens die aantoonden hoe de uitdijingssnelheid van het heelal versnelt. Ondanks deze aanpassingen beschouwt de astronomische gemeenschap de Big Bang nog steeds als het beste model om alle waarneembare verschijnselen te verklaren.
Tegenwoordig staat dit model bekend als het Lambda-Cold Dark Matter (LCDM) -model, dat huidige theorieën over Dark Matter en Dark Energy bevat met de Big Bang-theorie. Desondanks worden de steady-state-hypothese (en varianten daarvan) nog steeds bepleit door sommige astrofysici en kosmologen. En het is niet het enige alternatief voor Big Bang Cosmology ...
We hebben veel artikelen over kosmologie geschreven hier bij Space Magazine. Hier is wat is het universum, de oerknaltheorie: evolutie van ons universum, wat is de theorie van het oscillerende universum? Wat is de grote scheur? Wat is de multiversumtheorie? Wat is de superstring-theorie? Wat is de kosmische microgolfachtergrond? , The Big Crunch: The End of Our Universe ?, What is the Big Freeze ?, en Cosmology 101: The End.
Astronomy Cast ook enkele interessante afleveringen over het onderwerp. Hier is aflevering 5: de oerknal en de kosmische microgolfachtergrond, aflevering 6: meer bewijs voor de oerknal, aflevering 79: hoe groot is het heelal?, Aflevering 187: geschiedenis van de astronomie, deel 5: de 20e eeuw en aflevering 499: Wat is de voorgestelde wet van Hubble-Lemaitre ?.
Bronnen:
- Wikipedia - Kosmologisch principe
- Wikipedia - Steady-state hypothese
- Ideeën van kosmologie - Big Bang of Steady State?
- Encyclopedia Britannica - Steady-State Theory
- UBC Astronomy and Astrophysics - Fundamentele problemen in de kosmologie
- 'Een nieuw model voor het zich uitbreidende heelal', Hoyle, F. MNRAS, vol. 108, nee. 372 (1948)
- 'Quasi-stabiele toestand en aanverwante kosmologische modellen: een historisch overzicht', Kragh. H. (2012)
- 'The Steady-State Theory of the Expanding Universe', MNRAS, vol. 108, p. 252 (1948)
- "Einsteins steady-state theorie: een verlaten model van de kosmos", The European Physical Journal H, vol. 39, pag. 353-367 (2014)
- 'Een quasi-stationair kosmologisch model met schepping van materie', Hoyle, F .; Burbidge, G .; Narlikar, J. V., Astrophysical Journal v. 410, p. 437 (1993)
