Kosmologisch principe

In de moderne fysische kosmologie is het kosmologische principe het idee dat de ruimtelijke verdeling van materie in het universum uniform isotroop en homogeen is wanneer deze op een voldoende grote schaal wordt bekeken. Dit komt doordat de krachten naar verwachting gelijkmatig door het hele universum op grote schaal werken en daarom geen waarneembare ongelijkheden in de grootschalige structuur zouden mogen veroorzaken gedurende de evolutie van het materieveld dat oorspronkelijk door de oerknal is gevormd.

Astronoom William Keel legt uit : "Het kosmologische principe wordt meestal formeel geformuleerd als: 'Bekeken op een voldoende grote schaal zijn de eigenschappen van het universum voor alle waarnemers hetzelfde.' Dit komt neer op de sterk filosofische bewering dat het deel van het universum dat we kunnen zien een representatieve steekproef is en dat dezelfde natuurwetten overal gelden. In wezen zegt dit in zekere zin dat het universum kenbaar is en eerlijk is tegenover wetenschappers."

TERUG

Zoals Andrew Liddle het stelt: "het kosmologische principe [betekent dat] het universum er hetzelfde uitziet, ongeacht wie en waar je je bevindt." De twee toetsbare structurele consequenties van het kosmologische principe zijn homogeniteit en isotropie. Homogeniteit – constante dichtheid – betekent dat dezelfde observationele gegevens beschikbaar zijn voor waarnemers op verschillende locaties in het universum. Isotropie – er in alle richtingen hetzelfde uitzien – betekent dat dezelfde observationele gegevens beschikbaar zijn, ongeacht in welke richting in het universum je kijkt. Isotropie impliceert homogeniteit, maar een homogeen universum zou anisotroop kunnen zijn ...

Oorsprong

Het kosmologische principe wordt voor het eerst duidelijk geformuleerd in de Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1687) van Isaac Newton (foto). In tegenstelling tot sommige eerdere klassieke of middeleeuwse kosmologieën, waarin de aarde zich in het centrum van het heelal bevond, conceptualiseerde Newton de aarde als een bol in een baan rond de Zon in een lege ruimte die zich uniform in alle richtingen uitstrekte tot onmetelijk grote afstanden. Vervolgens toonde hij, door middel van een reeks wiskundige bewijzen op basis van gedetailleerde observatiegegevens van de bewegingen van planeten en kometen, aan dat hun bewegingen verklaard konden worden door één enkel principe van 'universele zwaartekracht' dat evenzeer van toepassing was op de banen van de Galileïsche manen rond Jupiter, de maan rond de Aarde, de Aarde rond de Zon en op vallende objecten op Aarde. Dat wil zeggen, hij stelde de gelijkwaardige materiële aard van alle lichamen binnen het zonnestelsel, de identieke aard van de zon en verre sterren, en daarmee de uniforme uitbreiding van de natuurwetten van beweging tot een grote afstand voorbij de observatielocatie van de Aarde zelf.

Implicaties

Sinds de jaren negentig hebben waarnemingen, uitgaande van het kosmologische principe, geconcludeerd dat ongeveer 68% van de massa-energiedichtheid van het heelal kan worden toegeschreven aan donkere energie, wat leidde tot de ontwikkeling van het ΛCDM-model.

Waarnemingen tonen aan dat verder gelegen sterrenstelsels dichter bij elkaar liggen en een lager gehalte aan chemische elementen bevatten die zwaarder zijn dan lithium.[bronvermelding nodig] Volgens het kosmologische principe suggereert dit dat zwaardere elementen niet zijn ontstaan tijdens de oerknal, maar zijn geproduceerd door nucleosynthese in reuzensterren en uitgestoten via een reeks supernova's en nieuwe stervorming uit de supernovarestanten, wat betekent dat zwaardere elementen zich in de loop der tijd zouden ophopen. Een andere waarneming is dat de verste sterrenstelsels (vroeger tijdperk) vaak meer gefragmenteerd, interagerend en ongebruikelijk gevormd zijn dan nabije sterrenstelsels (recent tijdperk), wat ook wijst op evolutie in de structuur van sterrenstelsels.

Homogeniteit

Een verwante implicatie van het kosmologisch principe is dat de grootste discrete structuren in het universum in mechanisch evenwicht zouden moeten verkeren. Homogeniteit en isotropie van materie op de grootste schalen zouden suggereren dat de grootste discrete structuren delen zijn van één enkele niet-discrete vorm, zoals de kruimels waaruit de binnenkant van een cake bestaat. Op extreme kosmologische afstanden kan de eigenschap van mechanisch evenwicht in oppervlakken lateraal aan de zichtlijn empirisch worden getest; onder de aanname van het kosmologisch principe kan deze echter niet parallel aan de zichtlijn worden waargenomen.

Kosmologen zijn het erover eens dat, in overeenstemming met waarnemingen van verre sterrenstelsels, een universum niet-statisch moet zijn als het het kosmologisch principe volgt. In 1923 formuleerde Alexander Friedmann een variant van Albert Einsteins vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie die de dynamiek van een homogeen isotroop universum beschrijven. Onafhankelijk daarvan leidde Georges Lemaître (foto) in 1927 de vergelijkingen van een expanderend heelal af uit de vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Zo wordt ook een niet-statisch heelal geïmpliceerd, onafhankelijk van waarnemingen van verre sterrenstelsels, als gevolg van de toepassing van het kosmologische principe op de algemene relativiteitstheorie.

Waarnemingen

Hoewel het universum op kleinere schalen inhomogeen is, zou het volgens het ΛCDM-model isotroop en statistisch homogeen moeten zijn op schalen groter dan 250 miljoen lichtjaar. Recente bevindingen suggereren echter dat er schendingen van het kosmologische principe in het universum bestaan, waardoor het ΛCDM-model in twijfel wordt getrokken. Sommige auteurs stellen zelfs dat het kosmologische principe inmiddels achterhaald is en dat de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-metriek in het late universum niet meer geldig is.

Het ΛCDM-model is al decennialang succesvol in het modelleren van een breed scala aan astronomische waarnemingen. Er blijven echter vraagstukken bestaan die de aannames van het ΛCDM-model ter discussie stellen en hebben geleid tot vele alternatieve modellen.

ΛCDM-model

Volgens het ΛCDM-model is de kosmische microgolfachtergrond (CMB) isotroop, dat wil zeggen dat de intensiteit ervan ongeveer gelijk is, ongeacht in welke richting we kijken. Gegevens van de Planck-missie tonen een hemisferische bias in twee opzichten: ten eerste met betrekking tot de gemiddelde temperatuur (d.w.z. temperatuurschommelingen), en ten tweede met betrekking tot grotere variaties in de mate van verstoringen (d.w.z. dichtheden). De samenwerking merkte op dat deze kenmerken statistisch gezien niet sterk inconsistent zijn met isotropie. Sommige auteurs stellen dat het universum rond de Aarde isotroop is met een hoge significantie op basis van studies van de temperatuurkaarten van de kosmische microgolfachtergrond. Er zijn echter beweringen over schendingen van de isotropie door clusters van sterrenstelsels, quasars, en type Ia-supernova's.

Het kosmologische principe impliceert dat het universum op een voldoende grote schaal homogeen is. Op basis van N-lichaamsimulaties in een ΛCDM-universum hebben Jaswant Yadav en zijn collega's aangetoond dat de ruimtelijke verdeling van sterrenstelsels statistisch homogeen is als deze wordt gemiddeld over schalen van 260/h Mpc of meer. Een aantal waarnemingen blijkt in tegenspraak te zijn met voorspellingen van maximale structuurgroottes :

De Clowes-Campusano LQG, ontdekt in 1991, heeft een lengte van 580 Mpc en is iets groter dan de consistente schaal.
De Sloan Great Wall, ontdekt in 2003, heeft een lengte van 423 Mpc, wat net aan consistent is met het kosmologische principe.
U1.11, een grote quasargroep die in 2011 werd ontdekt, heeft een lengte van 780 Mpc, twee keer zo groot als de bovengrens van de homogeniteitsschaal.
De Huge-LQG, ontdekt in 2012, is drie keer langer en twee keer breder dan wat de huidige modellen mogelijk achten.
In november 2013 werd een nieuwe structuur ontdekt op 10 miljard lichtjaar afstand, met afmetingen van 2000-3000 Mpc (meer dan zeven keer zo groot als de Grote Muur van Sloan): de Grote Muur van Hercules en Corona Borealis. Dit werpt verder twijfel op de geldigheid van het kosmologische principe.
In september 2020 werd een conflict van 4,9σ gevonden tussen de kinematische verklaring van de CMB-dipool en de meting van de dipool in de hoekverdeling van een fluxbeperkte, hemelbrede steekproef van 1,36 miljoen quasars.
In juni 2021 werd de Reuzenboog ontdekt, een structuur die zich uitstrekt over ongeveer 1000 Mpc. Deze bevindt zich op een afstand van 2820 Mpc en bestaat uit sterrenstelsels, clusters van sterrenstelsels, gas en stof.
In januari 2024 werd de Grote Ring ontdekt. Deze bevindt zich op 9,2 miljard lichtjaar afstand van de Aarde en heeft een diameter van 1,3 miljard lichtjaar, wat neerkomt op een hoekgrootte van 15 volle manen gezien vanaf de Aarde.

CMB

De kosmische microgolfachtergrond (CMB) geeft een momentopname van een grotendeels isotroop en homogeen universum. Het grootste kenmerk van de CMB is de dipoolanisotropie; deze wordt doorgaans van kaarten afgetrokken vanwege de grote amplitude. De standaardinterpretatie van de dipool is dat deze kinematisch is, als gevolg van het Doppler-effect dat wordt veroorzaakt door de beweging van het zonnestelsel ten opzichte van het rustframe van de CMB.

Verschillende studies hebben dipolen gerapporteerd in de grootschalige verdeling van sterrenstelsels die in lijn liggen met de richting van de CMB-dipool, maar die een grotere amplitude vertonen dan zou worden veroorzaakt door de CMB-dipoolsnelheid. Een vergelijkbare dipool wordt waargenomen in gegevens van radiosterrenstelsels; de amplitude van de dipool is echter afhankelijk van de waarnemingsfrequentie, wat aantoont dat deze afwijkende kenmerken niet puur kinematisch kunnen zijn. Andere auteurs hebben radiodipolen gevonden die consistent zijn met de CMB-verwachting. Verdere beweringen over anisotropie langs de CMB-dipoolas zijn gedaan met betrekking tot het Hubble-diagram van Type Ia-supernova's en quasars. Afzonderlijk is de CMB-dipoolrichting naar voren gekomen als een voorkeursrichting in sommige studies van uitlijningen in quasarpolarisaties en sterke lensvertraging, en in Type Ia-supernova's en andere standaardkaarsen.

CMB dipool

Als alternatief zijn Planck-gegevens gebruikt om de snelheid ten opzichte van de CMB onafhankelijk van de dipool te schatten, door de subtiele aberraties en vervormingen van fluctuaties veroorzaakt door relativistische bundeling te meten en afzonderlijk gebruik te maken van het Sunyaev-Zeldovich-effect. Deze studies vonden een snelheid die consistent is met de waarde verkregen uit de dipool, wat erop wijst dat deze consistent is met een volledig kinematische verklaring. Metingen van het snelheidsveld van sterrenstelsels in het lokale heelal laten zien dat sterrenstelsels op korte schalen met de Lokale Groep meebewegen en dat de gemiddelde snelheid afneemt met toenemende afstand. Dit komt overeen met de verwachting dat, als de CMB-dipool te wijten zou zijn aan het lokale eigenaardige snelheidsveld, dit op grote schalen homogener wordt. Onderzoeken van het lokale volume hebben een gebied met een lage dichtheid in de tegenovergestelde richting van de CMB-dipool aan het licht gebracht, wat mogelijk de oorsprong van de lokale bulkstroom verklaart.

Bronnen

- Wikipedia
- ESA
- NASA
- Hubble
- PBS

Astropolis respecteert logischerwijze de auteursrechten, maar het blijkt helaas niet altijd mogelijk om te achterhalen wie de rechtmatige eigenaar is van betreffende foto of video. Bent u de eigenaar en maakt u bezwaar ? Neem dan gerust contact met ons op !