Welkom terug bij het derde en laatste deel van Kosmologie 101. Tot dusver hebben we de geschiedenis van het universum tot nu toe besproken. Maar wat gebeurt er daarna? Hoe eindigt ons universum? En hoe kunnen we er zo zeker van zijn dat dit is hoe het verhaal zich ontvouwde?
Robert Frost schreef ooit: 'Sommigen zeggen dat de wereld in vuur zal eindigen; sommigen zeggen in ijs. ' Evenzo hebben sommige wetenschappers gepostuleerd dat het universum ofwel een dramatische, catastrofale dood kan sterven - ofwel een "Big Rip" of een "Big Crunch" - of een langzamere, meer geleidelijke "Big Freeze". Het uiteindelijke lot van onze kosmos heeft veel te maken met zijn vorm. Als het universum open was, als een zadel, en de energiedichtheid van donkere energie nam onbeperkt toe, de expansiesnelheid van de kosmos zou uiteindelijk zo groot worden dat zelfs atomen uit elkaar zouden worden gescheurd - een Big Rip. Omgekeerd, als het universum gesloten was, zoals een bol, en de kracht van de zwaartekracht overwon de invloed van donkere energie, de uitwendige expansie van de kosmos zou uiteindelijk tot stilstand komen en omkeren, en zou ineenstorten in een Big Crunch.
Ondanks de poëtische schoonheid van vuur, geven huidige observaties echter de voorkeur aan een ijzig einde van ons universum - een grote bevriezing. Wetenschappers geloven dat we in een ruimtelijk vlak universum leven, waarvan de expansie versnelt vanwege de aanwezigheid van donkere energie; de totale energiedichtheid van de kosmos is echter hoogstwaarschijnlijk kleiner dan of gelijk aan de zogenaamde 'kritische dichtheid', dus er zal geen Big Rip zijn. In plaats daarvan zal de inhoud van het universum uiteindelijk onbetaalbaar ver van elkaar afdrijven en zal de uitwisseling van warmte en energie ophouden. De kosmos zal een toestand van maximale entropie hebben bereikt en geen enkel leven zal kunnen overleven. Deprimerend en een beetje anticlimax? Misschien. Maar het zal waarschijnlijk pas waarneembaar zijn als het universum minstens tweemaal de huidige leeftijd heeft.
Op dit punt schreeuw je misschien: 'Hoe weten we dit allemaal? Is het niet allemaal ongebreidelde speculatie? " Allereerst weten we ongetwijfeld dat het universum zich uitbreidt. Astronomische waarnemingen tonen consequent aan dat licht van verre sterren altijd rood verschoven is ten opzichte van ons; dat wil zeggen dat de golflengte is uitgerekt vanwege de uitzetting van de kosmos. Dit leidt tot twee mogelijkheden wanneer je de klok terugdraait: ofwel het uitbreidende universum heeft altijd bestaan en is oneindig in leeftijd, of het begon uit te breiden van een kleinere versie van zichzelf op een specifieke tijd in het verleden en heeft dus een vaste leeftijd. Voorstanders van de Steady State Theory onderschreven lange tijd de eerdere verklaring. Pas toen Arno Penzias en Robert Wilson in 1965 de kosmische microgolfachtergrond ontdekten, werd de oerknaltheorie de meest geaccepteerde verklaring voor de oorsprong van het universum.
Waarom? Iets zo groot als onze kosmos duurt een tijdje om volledig af te koelen. Als het heelal inderdaad was begonnen met het soort zinderende energieën die de oerknaltheorie voorspelt, zouden astronomen vandaag de dag nog steeds wat overgebleven hitte moeten zien. En dat doen ze: een uniforme 3K-gloed, gelijkmatig verspreid op elk punt in de lucht. Niet alleen dat - maar WMAP en andere satellieten hebben kleine inhomogeniteiten in de CMB waargenomen die precies overeenkomen met het initiële spectrum van kwantumfluctuaties voorspeld door de oerknaltheorie.
Wat nog meer? Bekijk de relatieve overvloed aan lichtelementen in het universum. Onthoud dat tijdens de eerste paar minuten van het jonge leven van de kosmos de omgevingstemperatuur hoog genoeg was om kernfusie te laten plaatsvinden. De wetten van de thermodynamica en de relatieve dichtheid van baryonen (d.w.z. protonen en neutronen) bepalen samen hoeveel deuterium (zware waterstof), helium en lithium op dit moment kunnen worden gevormd. Het blijkt dat er in ons huidige universum veel meer helium (25%!) Is dan zou kunnen worden gecreëerd door nucleosynthese in het centrum van sterren. Ondertussen leidt een heet vroeg universum - zoals gepostuleerd door de oerknaltheorie - tot het exact verhoudingen van lichtelementen die wetenschappers waarnemen in het Space Magazine.
Maar wacht, er is meer. De verdeling van grootschalige structuur in het universum kan zeer goed in kaart worden gebracht op basis van uitsluitend waargenomen anisotropieën in de CMB. Bovendien ziet de grootschalige structuur van vandaag er heel anders uit dan die bij hoge roodverschuiving, wat een dynamisch en evoluerend universum impliceert. Bovendien lijkt de leeftijd van de oudste sterren consistent te zijn met de leeftijd van de kosmos die wordt gegeven door de oerknaltheorie. Zoals elke theorie heeft het zijn zwakke punten - bijvoorbeeld het horizonprobleem of het vlakheidsprobleem of de problemen van donkere energie en donkere materie; maar over het algemeen komen astronomische waarnemingen veel beter overeen met de voorspellingen van de oerknaltheorie dan enig ander rivaal idee. Totdat dat verandert, lijkt het alsof de oerknaltheorie hier is om te blijven.
