Heeft het heelal een middelpunt?

[HansH]

Als met de oerknal de ruimte ontstond, maar de ruimte loopt nu verder dan de waarnemingshorizon, dan moet de ruimte zich dus sneller uitgebreid hebben dan de lichtsnelheid of er altijd al zijn geweest, maar deels ook leeg zijn omdat de materie en straling zich maar maximaal met de lchtsnelheid kan verplaatsen. Waar ergens houdt het bestaan van materie tgv de oerknal dan op? Die totale materie moet dan toch een soort bol zijn met een duidelijk afgebakende grens en een middelpunt?

[always]

Wat ik ervan begreep is dat de ruimte inderdaad wordt werd geacht sneller uit te dijen dan de lichtsnelheid, dat is nu zo en was zo tijdens de inflatie aan het begin van de oerknal. Of die leeg is aan het 'einde' is maar de vraag, maar dat die leeg moet zijn omdat materie zich slechts met de lichtsnelheid kan bewegen klopt niet. Immers het is niet de materie maar de ruimte zelf die uitbreidt en die is niet onderworpen aan de lichtsnelheid.
 
Als het universum een bol is dan is het tot nu toe een platte bol als geregistreerd. Net zoals de aarde normaal plat lijkt maar toch bol is, zo lijkt ook het universum plat maar kan bol zijn, al is de vorm van het universum wel vlak doordat de expansie energie gelijk is aan de materie. Maar dat laatste laat ik liever over aan degenen die daar meer verstand van hebben hoe dat precies zit.

[Michel Uphoff]

Quote
Waar ergens houdt het bestaan van materie tgv de oerknal dan op? Die totale materie moet dan toch een soort bol zijn met een duidelijk afgebakende grens en een middelpunt?

 

Het is inderdaad lastig voor te stellen. Wiskundigen hebben er niet zo veel moeite mee, maar er een beeld van voor ogen krijgen is nog een andere zaak. Wat Always hierboven schrijft klopt. Niets kan sneller dan het licht door de ruimte reizen, maar de relativiteitstheorie verbiedt niet dat de ruimte zelf sneller dan de lichtsnelheid expandeert. En dat betekent dus ook dat materie zich met een snelheid groter dan die van het licht van andere materie kan verwijderen. De materie reist immers niet door de ruimte, maar gaat mee met de expansie.

 

Stel eens dat er werkelijk een centrum is, van waaruit een explosie heeft plaats gevonden. In de oorsprong van de explosie bevindt zich dan nu geen materie meer, die heeft zich als een al maar groter wordende bolschil daarvan verwijderd. Ergens in die bolschil bevindt de Aarde zich dan. Maar dat zou je moeten kunnen zien, want dan zou de dichtheid van de materie afhankelijk zijn van de kijkrichting:

 

Image3 1645 keer bekeken

 

Kijk je richting centrum, richting A dan zie je een hele afstand niets, en ver weg zie je de tegenoverliggende zijde van de schil zich snel van je verwijderen. Kijk je naar de buitenzijde richting B, dan is daar niets aanwezig want daar is nog geen materiaal aangekomen. En kijk je richting C dan zie je links dichtbij materiaal dat zich niet al te snel van je verwijdert en rechts en verderop niets. Dan zou je na zorgvuldige waarneming de oorsprong van de explosie kunnen bepalen. Ook indien de waarnemingshorizon kleiner is dan die bol (een voorbeeldhorizon is met een grijze cirkel weergegeven) moet het adhv waarnemingen duidelijk worden dat er grote verschillen moeten zijn naargelang de kijkrichting.

 

Dat is niet wat de waarnemingen ons leren. Welke kant we ook opkijken, overal zien we op zeer grote schaal een mooi gelijkmatige verdeling van materie, een isotroop heelal waarin de materie zich in alle richtingen van ons verwijdert en met een snelheid die evenredig is met de afstand. Die isotropie (de dichtheid van materie is waar en hoe ver we ook kijken hetzelfde) is een van de observationele bewijzen dat er geen centrum van het heelal kan zijn.
 
Een van de beste observationele bewijzen is, dat de oerknaltheorie voorspelde dat er kosmische achtergrondstraling van de overgebleven warmte van de oerknal zou moeten zijn. Veel later pas is deze straling inderdaad gevonden en ze blijkt overeenkomstig de theorie extreem gelijkmatig verdeeld over alle kijkrichtingen. De maximale temperatuurafwijking van deze 'nagloed van de oerknal' is slechts enkele tienduizendsten van een graad, ongeacht de kijkrichting. 

 

De oerknaltheorie vereist een dergelijk 'kosmologisch principe' (klik). En vooralsnog ondersteunen de waarnemingen de theorie in hoge mate. Er zijn wel wat twijfels, maar die zijn niet doorslaggevend, lees daarvoor het topic van de link.

[HansH]

als ik het dan goed begrijp dan is het het hele heelal wat feitelijk uitzet en de sterrenstelsels feitelijk op hun plek blijven en mee uitzetten met de ruimte en dat alles met een snelheid van 67 x 10³ m/s voor elke parsec (= 30.8 x 10¹⁶ meter) even omrekenen betekent dat ook hier op aarde alle uitzet met 2.17 x10^-13meter per seconde voor elke meter lengte over een miljoen jaar (3.15 x 10¹³sec) is alles dus ca 2x zo groot geworden op aarde.

[Michel Uphoff]

Je maakt een rekenfoutje, de Hubbleconstante is 67 km/s per Megaparsec (3.10²²m), dus zou de door jou veronderstelde expansie van de Aarde een miljoen keer trager gaan.
 
Maar, gebonden systemen doen niet mee aan de expansie van het universum. Die expansie 'kracht' is extreem zwak op korte afstanden. Alleen op zeer grote onderlinge afstanden overwint de expansie de steeds zwakker wordende onderlinge zwaartekracht. Niet alleen ondervindt materie geen invloed van de expansie, ook de zwaartekracht is tot op grote afstanden heel veel sterker. Ons zonnestelsel bijvoorbeeld is zo sterk gebonden door de zwaartekracht van de Zon dat het (vrijwel?) niet uitzet tgv de expansie, de hele Melkweg doet niet mee en zelfs kleinere clusters van sterrenstelsels hebben nog zoveel onderlinge gravitatie dat de sterrenstelsels niet verder van elkaar raken. Alleen op de allergrootste schalen (afstanden) is de zwaartekracht zo extreem zwak geworden dat de expansie vat krijgt op de materie.
 
Er wordt wel een andere analogie gehanteerd voor het expanderend heelal; die van een ballonoppervlak. Het platgeslagen heelal (de dimensie hoogte/diepte is verwijderd) is dan alleen het oppervlak van een ballon (dit is lastig tussen de oren te krijgen, maar heel belangrijk). We kunnen de hoogte/diepte vervangen door de dimensie tijd. In de ballon het verleden (met de oerknal in het centrum), buiten de ballon de toekomst en het oneindig dunne oppervlak is het nu. Als we ons de sterrenstelsels en kleinere clusters van stelsels voorstellen als muntjes die we op die ballon plakken, dan heb je zo een beeld van een heelal dat:

• expandeert (het ballonoppervlak wordt groter naarmate er meer verleden ontstaat)
• geen rand heeft en dus onbegrensd is (het heelal is alleen het oppervlak, de dimensie hoogte/diepte hadden we verwijderd, een boloppervlak heeft geen centrum)
• oneindig groot kan zijn (als we de ballon oneindig groot maken, waarmee het oppervlak van de ballon volkomen plat wordt)
• de grens van het waarneembare heelal een klein cirkeltje op die ballon is (dat cirkeltje wordt met de tijd groter)
• sterrenstelsels van elkaar laat verwijderen zonder van plaats te veranderen (de muntjes blijven op dezelfde locatie)
• sterrenstelsels sneller dan het licht van elkaar kan laten verwijderen (ze reizen immers niet over het ballonoppervlak, ze staan stil)
• sterrenstelsels (en kleine clusters) niet laat meedoen met de expansie van het heelal (de muntjes worden niet groter)
• in het begin erg klein was, en het oppervlak erg heet. Nu, 13,7 miljard jaar later, is die energie over een veel groter oppervlak verspreid waardoor het oppervlak nog maar 2,7K warm is, een temperatuur die we in elke ruimtelijke richting (= over het oppervlak) meten.
• lichtgolven die zich over dat expanderende oppervlak verplaatsen door de expansie van het oppervlak gedurende de reis almaar langer opgerekt en roder laat worden (de kosmologische roodverschuiving)

Natuurlijk is ook dit maar een analogie met beperkingen. Lees hier eventueel wat meer over die ballonanalogie.
 
Er zijn theoretici die stellen dat - als je extreem nauwkeurig zou kunnen meten - een sterrenstelsel een heel klein beetje groter wordt a.g.v. de expansie, waarna een 'krachten' evenwicht ontstaat (zoals de muntjes op de ballon door de trekkracht van het rubber een minuscuul beetje groter worden). Anderen zijn het daar niet mee eens, zij stellen dat op geringer afstanden de wetten die de expansie veroorzaken niet meer opgaan, en er dus totaal geen expansie op kleinere schaal plaatsvindt. Wil je daar wat meer van weten, kijk dan eens hier. Hoe dan ook, gebonden objecten doen niet of nauwelijks mee met de expansie van het heelal.

[HansH]

Dus blijkbaar kun je de expansie dan zien als een kracht die massa kan versnellen maar zo klein is dat hij pas dominant wordt als de zwaartekracht en andere krachten buiten bereik zijn. Feit blijft natuurlijk dat op de complete schaal van het heelal er geen middelpunt is omdat het Heelal niet expandeert vanuit het middelpunt, maar vanuit alle punten gezien hetzelfde volgens deze expansie kracht.

[Michel Uphoff]

Ja, dat is zo wel ongeveer correct.

[HansH]

onduidelijke puntje voor mij is dan nog wel dat volgens de hubble constante de snelheid constant is. (67 km/s per Megaparsec (3.1022 m))iets wat met constante snelheid beweegt ondervind geen versnelling zou je zeggen dus ook geen (expansie)kracht. hoe moet ik dat dan zien?

[always]

Is dat niet een constante versnelling van 67 km/s  per Megaparsec? Dus cumulatief/exponentieel.

[Michel Uphoff]

Een paar opmerkingen:
 
De H_{0 ,} (Hubble nu) constante is alleen constant in de ruimte, niet in de tijd. Dat houdt in, dat H₀over iedere Mpc afstand de recessiesnelheid met pakweg 67 km/s doet toenemen dus in de ruimte constant is. Maar vroeger was H_v groter dan H₀en in de toekomst is H_t kleiner. Zie ondermeer ook dit , dit en dit topic als je hier meer over wil lezen. Omdat constante een wat misleidende naam is, noem ik het dan ook liever de Hubble parameter.
 
Ik heb in het vorige berichtje het woord kracht tussen aanhalingstekens geplaatst, en eigenlijk om de reden die jij nu verwoordt. Er is namelijk geen sprake van versnelling, dat is toenemende snelheid door de ruimte.
 
Hoe het nu precies zit met die 'kracht' is nog steeds onderwerp van discussie, kijk eens in dit topic.

[HansH]

Dat voorbeeld met dat touw en 2 melkwegstelsels die je met een touw verbind en dan kijkt wat voor kracht er optreedt is wel verhelderend voor het begrip denk ik. als ik het goed begrijp dan wordt door de uitzetting van de ruimte de inhoud van de ruimte vanzelf meegenomen. (de ballon met puntjes erop wordt groter=uitzetting van de ruimte en de puntjes gaat zonder verdere kracht gewoon mee omdat er geen versnelling is tov de uitzettende ruimte). als je de puntjes zou tegenhouden (= geforceerd op gelijke afstand houden alsof er geen uitzetting zou zijn) dan ben je volgens mij simpel bezig om de 2 massa's te versnellen. dat kost even wat kracht  en daarna heb je geen kracht meer nodig, zodra de snelheid van de massa's tov elkaar 0 is (tov de uitzettende ruimte is dat dan een snelheid naar elkaar toe)    
 
punt waar ik dan nog niet uit ben is is de beginsnelheid van alle massa in het heelal op t= juist na de big bang. Die snelheid zou immers nog steeds meetellen dus van invloed zijn op de verwijdering van materie in het heelal.
 
Wat mij verder ook nog niet duidelijk is is dat er vlak na de big bang ook onderlinge zwaartekracht was die veel groter is als materie dichter bij elkaar zit. Als de zwaartekrachtsconstante niet wijzigt moet de onderlinge aantrakkingskracht in de eerste tijd na de big bang dus groot geweest zijn waardoor er wel een flinke beginsnelheid zou moeten zijn geweest als we nu zien dat alles in rust is tov de uitzettende ruimte terwijl in het begin de zwaartekracht flink alle naar buiten gerichte snelheid van alle massa zou moeten vertragen.
 
Voor mij is dus nog onduidelijk wat nu de echte snelheid is van alle materie tov de uitzettende ruimte.

[Michel Uphoff]

Inderdaad is de toename van de schaalfactor in de loop van miljarden jaren verminderd. Dit bericht (en de volgende) gaan wat verder in op de expansiesnelheid van de ruimte gedurende de geschiedenis van het heelal.
 

Wat mij verder ook nog niet duidelijk is is dat er vlak na de big bang ook onderlinge zwaartekracht was die veel groter is als materie dichter bij elkaar zit.

 
Het heelal heeft conform de huidige theorievorming een aantal fasen doorgelopen. Vlak na de oerknal een zeer korte periode waarin inflatie optrad (een gigantische toename van de schaalfactor in een oogwenk, gevolgd door het ontstaan van het Higgs boson en daarmee massa), daarna een heelal waarin de straling domineerde, en na ongeveer 47000 jaar begon na voldoende afkoeling materie de dominante factor te worden. Er zijn aanwijzingen dat ongeveer 4 miljard jaar geleden donkere energie de dominante factor is geworden.

Dat resulteert grofweg in het volgende beeld (klik op de afbeelding voor grote weergave):

history-of-the-universe-2014 1646 keer bekeken

Een heelal dat in beginsel enorm snel uitdijt, vervolgens neemt de expansiesnelheid af door gravitatie, en na ongeveer 9,8 miljard jaar wordt de donkere energie de motor van een weer versnellende uitdijing. Zie ook hier en hier.

[always]

interessant

[Bladerunner]

Om nog even terug te keren naar de oorspronkelijke vraag:
 
Omdat tegelijk met de oerknal ook de ruimte zelf ontstond (deze zat eerst 'opgerold' in de singulariteit waar het allemaal mee begon) kun je nu in de huidige ruimte geen middelpunt aanwijzen aangezien dit impliceert dat de ruimte al bestond en dat daar de oerknal in plaats vond. Dat is dus niet het geval omdat de 'ruimtelijke' positie van de singulariteit niet in de (huidige) ruimte zat, het was de ruimte waardoor de 'positie' van de singulariteit overal tegelijk zat in de nog te vormen normale ruimte.
 
Die 'positie' kon je op dat moment niet aanduiden met x,y,z coördinaten omdat er nog geen ruimte was die daar aan voldeed. Daarom kun je tot op de dag van vandaag geen plek met de coördinaten 0,0,0 aanwijzen en zeggen dat het het middelpunt is.

[Peter van Velzen]

Ik vraag me altijd af bij "zadeloppervlak" hoe  ik dat moet zien, ergens moeten de twee tegengestelde krommen toch weer bij elkaar komen? Dus dat lijkt dan meer op een Donut. EN inderdaad het middelpunt van een donut bevat geeneens deeg!