Dit is hoe het heelal zal eindigen, volgens een astrofysicus

“Onze contemplaties van de kosmos beroeren ons,” zei wijlen astronoom Carl Sagan ooit. “Er is een tinteling in de ruggengraat, een hapering in de stem, een zwak gevoel, alsof een verre herinnering aan een val van grote hoogte.” Als het nadenken over het universum je huivert, kan het nadenken over het einde ervan je ook doen huiveren aardbeving.

In haar nieuwe boek, Het einde van alles: (Astrofysisch gesproken)begint theoretisch astrofysicus dr. Katie Mack met de oerknal – de theorie over hoe het universum begon. Het begin ervan kan kosmologen zoals zij veel vertellen over het onvermijdelijke einde ervan. Ze neemt de lezers vrolijk mee door vijf astrofysische apocalypsen: de grote crunch, hittedood, de grote scheur, vacuümverval en de grote sprong. Om te voorkomen dat je vast komt te zitten in het quark-gluon-plasma (maak je geen zorgen, legt ze uit), houdt Mack alles toegankelijk en gemoedelijk. Het is veel leuker dan je zou verwachten van een boek over het einde van het universum. Laat je niet neerslachtig maken door de existentiële angst die het einde van het universum inluidt, lijkt ze te zeggen.

We spraken met Mack over donkere energie versus donkere materie, hoe telescopen ons letterlijk in het verleden laten kijken, en de vreemdheid van de ruimte.

(Dit gesprek is voor de duidelijkheid licht bewerkt.)

Digitale trends: wat heeft u ertoe aangezet dit boek te schrijven?

Mack: Door de jaren heen heb ik veel verschillende dingen op het gebied van de kosmologie bestudeerd. De kosmologie omvat dus, weet je, het universum als geheel, zijn componenten en zijn evolutie. Ik heb aan het vroege universum gewerkt. Ik heb gewerkt aan donkere materie, zwarte gaten, de evolutie van sterrenstelsels, al dat soort dingen. En de laatste tijd ben ik erg geïnteresseerd in het einde van het universum. en zo is dit boek ontstaan.

Uw boek biedt een zeer toegankelijke verklaring voor hoe we de oerknal kunnen waarnemen. Kun je ons daar doorheen loodsen?

Het idee is dus dat als het universum momenteel uitdijt – wat we waarnemen – we sterrenstelsels zien zich van elkaar af bewegen – dan spreekt het voor zich dat het universum in het verleden meer was gecomprimeerd. Zo lag alles dichter bij elkaar. En je kunt dat toestel een beetje terugdraaien en je komt op een punt waarop alles min of meer over elkaar heen lag.

Dus naarmate het heelal uitdijt, wordt het koeler, wordt de materie diffuser en wordt de energie diffuser. In het verleden moet het heter en dichter zijn geweest, en in zekere zin kleiner dan nu. Dus dat is eigenlijk de oerknaltheorie. Dat is de meest simplistische bewering van de oerknaltheorie, alleen dat het universum in het verleden heter, kleiner en dichter was.

En als dat het geval is, dan is het ook logisch dat als je ver genoeg weg kijkt, je steeds verder terug in de tijd kijkt, vanwege de tijd die het licht nodig heeft om naar jou toe te reizen. En dus zou je op een punt moeten kunnen komen waarop, als het heelal werkelijk overal heet en compact was – als de oerknal iets was dat in de hele kosmos plaatsvond – je zouden delen van het universum moeten kunnen zien die zo ver weg zijn dat ze zich nog steeds in die hete, dichte staat bevinden, dat ze zich nog steeds in de laatste fase van dat soort oervuurbal bevinden bestaan.

En om dat te bereiken moet je ervan uitgaan dat het heelal groot is en altijd iets uitgebreids is geweest, wat wij ook geloven. Wij denken dat de oerknal iets is dat overal heeft plaatsgevonden. Er is niet één oorsprongspunt. En dus als je die redenering volgt, dan zou er achtergrondlicht moeten zijn. Er zou licht uit alle richtingen naar ons toe moeten komen, van de verste uithoeken, het verste dat we maar kunnen zien. Er zou het licht moeten zijn dat het overgebleven licht is van de laatste afkoeling van die vurige toestand van de kosmos.

Het boek onderzoekt vijf mogelijke manieren waarop het universum zou kunnen eindigen. Waarom zijn er zoveel verschillende manieren waarop het zou kunnen gaan?

Nou ja, het komt op een paar dingen neer. Eén daarvan is dat we niet volledig begrijpen waardoor het heelal uitdijt zoals het nu is. Er was een tijd dat we dachten dat het heel simpel zou zijn, omdat we een goede theorie hadden over de zwaartekracht en de algemene relativiteitstheorie. konden de uitdijingssnelheid van het heelal meten, en we wisten hoe al het spul in het heelal de uitdijing zou moeten vertragen uitbreiding. En dus was het gewoon een kwestie van het vinden van de balans tussen de uitzetting en de zwaartekracht.

Dus als de uitdijing te snel zou zijn voor alle zwaartekracht, dan zou het niet genoeg vertragen en zou het voor altijd uitdijen. En als de uitzetting niet snel genoeg zou zijn of als er te veel zwaartekracht zou zijn, dan zou de zwaartekracht winnen, de uitzetting vertragen, stoppen, en dan zouden we een recollaspe krijgen – de grote crisis. En dus waren dat een tijdlang de enige opties die enige zin hadden.

Maar toen ontdekt werd dat het universum feitelijk aan het versnellen was in zijn uitdijing, moesten we een nieuwe component aan het universum toevoegen. We moesten ons begrip herzien en er iets in stoppen dat donkere energie heet. En donkere energie is iets dat ervoor zorgt dat het universum sneller uitdijt. Maar omdat we donkere energie niet echt begrijpen, kunnen we niet met veel zekerheid zeggen dat dit de richting is waar de dingen naartoe gaan. Dat is dus de reden waarom zaken als de grote scheur of de grote crisis nog steeds op tafel liggen en de hittedood hetgene is waar we naartoe lijken te gaan.

En dan komen de twee vreemde ideeën, vacuümverval en stuiterende kosmologieën, voort uit het feit dat we nog steeds veel proberen te begrijpen over het zeer vroege universum en de deeltjesfysica. De stuiterende kosmologie is dus voortgekomen uit het idee dat misschien wel onze huidige beste inschatting van het zeer vroege universum, deze inflatoire fase, misschien niet het hele verhaal is. Misschien is dat niet gebeurd. Misschien was er een andere evolutie in het zeer vroege heelal die leidde tot de omstandigheden die we vandaag de dag zien. En als dat waar is, kunnen sommige van die ideeën leiden tot deze vreemdere cyclische kosmologieën.

En dan komt het idee van vacuümverval eigenlijk voort uit het feit dat onze kennis van de deeltjesfysica onvolledig is, en het huidige beste begrip van onze Kennis van de deeltjesfysica suggereert dat de manier waarop de deeltjesfysica op dit moment werkt gewoon niet volledig stabiel is, waardoor het universum kwetsbaar is voor dit verval proces. Dus als we de deeltjesfysica beter zouden begrijpen, als we de zeer, zeer vroege delen van het universum beter zouden begrijpen, dan zouden we iets over deze twee modellen kunnen zeggen. Maar voorlopig kunnen we ze niet uitsluiten, noch met zekerheid zeggen dat dit de manier is waarop de dingen zullen gaan.

Welk scenario is het meest waarschijnlijk van alle scenario's?

Hittedood wordt als de meest waarschijnlijke beschouwd, deels omdat er zo min mogelijk extra rare dingen voor nodig zijn. In de kosmologie houden we de zaken dus graag zo eenvoudig mogelijk. We nemen graag geen nieuwe componenten van het universum aan, tenzij het absoluut noodzakelijk is. En het hittedoodscenario heeft een soort donkere energie die deze kosmologische constante is, iets wat we niet helemaal begrijpen. Maar het is een idee dat al bestaat sinds Einstein, en het is gewoon een eigenschap van de ruimtetijd, dat er een klein beetje expansie in is ingebouwd.

Dat geeft ons dus een heel eenvoudige, ongecompliceerde evolutie, waarbij het universum voor altijd blijft versnellen in zijn uitdijing en alles gewoon vervaagt. En dat is heel logisch als het universum donkere materie, gewone materie en een kosmologische constante als donkere energie heeft. Iets ingewikkelder dan dat hoef je niet te veronderstellen. Impliciet houdt in dat de inflatie inderdaad heeft plaatsgevonden en dat dit het begin van het universum was. Dat maakt deel uit van het zogenaamde concordantiemodel van de kosmologie, waarin alles zo eenvoudig en saai is als je je maar kunt voorstellen.

Maar de reden dat we daar niet zomaar genoegen mee nemen en zeggen dat we klaar zijn, is omdat we echt niet zeker weten dat de donkere energie een kosmologisch concept is. En dat laat dus wel wat ruimte over. We kunnen ook niet met zekerheid zeggen dat we de deeltjesfysica voldoende begrijpen om te zeggen dat vacuümverval dat niet zal doen gebeuren of dat de evolutie van het vroege universum niet voldoende verschillend was om een ​​cyclische fase te impliceren einde.

Je noemt er enkele nieuwe radiotelescopen waardoor wetenschappers de eerste structuren van het universum kunnen zien ontstaan. Wat hopen experts daarvan te leren?

We zullen een beter beeld krijgen van de evolutie van de kosmos gedurende deze periode tussen het achtergrondlicht en het moderne universum waar we, weet je, het universum vol sterrenstelsels zijn. Er is een redelijk groot deel van de tijd waarin we weinig informatie hebben over wat er toen aan de hand was. We zullen dus veel leren over de evolutie van de kosmos. We krijgen alleen maar metingen van veel meer sterrenstelsels. Dus vermeldde ik in het boek het Vera Rubin Observatorium, dat ongeveer miljarden in kaart gaat brengen sterrenstelsels en laten ons zien hoe ze door het universum bewegen en hoe ze in de loop van de tijd evolueren en hoe ze dat doen gedistribueerd. En dat zal ons veel informatie geven over alleen de indeling van het universum en de evolutie van de kosmos. Dat zullen dus belangrijke aanwijzingen zijn.

We kunnen ook andere aspecten van de natuurkunde leren. Ik ben dus geïnteresseerd in enkele van deze grote radiotelescooparrays, omdat ze ons misschien iets kunnen vertellen over donkere materie, als donkere materie in het verre heelal aan het vernietigen is. Dat kan de manier veranderen waarop de eerste sterren en sterrenstelsels evolueren, en dat zou ons enkele aanwijzingen kunnen geven voor de volgende stap in de deeltjesfysica. En er zijn dus veel dingen die we zouden kunnen invullen als we gewoon veel meer gegevens hebben over de het verre heelal, het vroege heelal, andere sterrenstelsels – het soort dageraad van het melkwegtijdperk, misschien wel inspraak. Het is echt een kwestie van gewoon een betere kaart krijgen en een betere geschiedenis krijgen en op zoek gaan naar verrassingen. Weet je, we hopen echt dat we nieuwe en interessante verschijnselen zullen zien naarmate we steeds meer gegevens krijgen.

Kunt u het verschil tussen donkere energie En donkere materie?

Ja, dus donkere materie en donkere energie werken op vrijwel tegengestelde manieren op het universum in. Samen vormen ze de belangrijkste aspecten van de kosmos als je nadenkt over de evolutie ervan op de lange termijn. Donkere energie is dus iets dat ervoor zorgt dat het heelal sneller uitdijt. Het strekt zich als het ware uit in de ruimte. Het bestuurt in feite de evolutie van de kosmos, vanaf nu. Ongeveer vijf miljard jaar geleden begon het echt heel belangrijk te worden. En het neemt nu een beetje het universum over. En dus zijn we vanaf nu aan zijn genade overgeleverd in termen van de evolutie van de kosmos.

Maar donkere materie is ongeveer verantwoordelijk voor de opbouw van structuur in de kosmos, dus de groei van sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels. Deze zijn allemaal gebouwd op de fundamenten van donkere materie. Donkere materie is dus een soort onzichtbare materie, maar het is het grootste deel van de materie in het universum, en dat heeft het ook eigenschappen die het gemakkelijker maken om samen te komen en de steiger te bouwen waarop al het andere van belang is is gebouwd. En omdat het materie is, omdat het het grootste deel van de materie in het universum is, probeert het de uitdijing van het universum te vertragen. En een tijdlang vertraagde het de uitdijing van het heelal, en pas ongeveer vijf miljard jaar geleden werd het heelal zo groot dat donkere energie het gewoon overnam.

Je enthousiasme komt veel naar voren in het boek, vooral als je het hebt over zaken als de Hubble-radius. Wat zijn enkele van die andere dingen die zo spannend zijn in jouw vakgebied, dat je ze gewoon met andere mensen wilt delen?

Ik bedoel, alleen al het feit dat we het verleden heel direct kunnen zien, blijft me verbazen. Het feit dat we de laatste fasen van de oerknal rechtstreeks kunnen zien met telescopen, met microgolfontvangers. We vangen het licht van de laatste fasen van de oerknal in alle richtingen op. Het feit dat we gewoon naar het universum kunnen kijken en het verleden kunnen zien en daardoor onze eigen geschiedenis kunnen leren, vind ik supergeweldig. Dat verbaast mij keer op keer. En dan zijn er nog al die rare aspecten van de kosmologie, rare dingen in de natuurkunde die naar voren komen als je in een universum bent dat zich uitbreidt en wordt beheerst door de relativiteitstheorie. Dus je zei op een gegeven moment dat sterrenstelsels er niet meer kleiner uitzien. Weet je, een sterrenstelsel van dezelfde grootte zou er groter uit gaan zien, wat raar is, naarmate je verder en verder weg gaat.

Dan is er nog het feit dat we de uitdijing van het heelal kunnen zien, dat we dat in de loop van de tijd in kaart kunnen brengen, dat is verbazingwekkend. Ik weet niet eens of ik hier echt over heb gesproken in het boek, maar als we kijken naar zeer verre supernova’s, zonne-explosies, verschijnen ze langzamer gebeuren als ze ver weg zijn, omdat de uitdijing van het universum zich ook in de tijd uitstrekt in deze werkelijk vreemde manier. Dus de manier waarop ruimte en tijd met elkaar omgaan, wordt erg verwarrend en vreemd als je met kosmologie te maken hebt, en dat is echt interessant. Weet je, relativiteit doet rare dingen met ruimte en tijd in allerlei contexten. Dat vind ik geweldig en gaaf.

Er is veel in de kosmologie dat onbekend is. Wat is een mysterie dat je graag zou willen oplossen?

O, er zijn er zoveel. Het hele donkere materie/donkere energie-gedoe is enorm. Als we de aard van donkere materie zouden kennen, zou dat zeker een grote hulp zijn voor ons begrip van de natuurkunde in het algemeen.

Maar ik denk dat wat misschien wel het meest impactvol zou zijn, zou zijn: weten of inflatie heeft plaatsgevonden en dan, hoe en waarom. Dus het invullen van slechts een heel klein tijdsmoment aan het allereerste begin van het universum zou werkelijk alles aan ons beeld van de kosmos veranderen. Als we zeker wisten dat dit gebeurde, zou dat ons iets vertellen over het ontstaan ​​van het heelal, waardoor we ook iets zouden kunnen zeggen over de toekomst ervan. Het zou ons echt grip geven op de fundamentele structuur van de kosmos. Dus ja, het begrijpen van inflatie, donkere materie, donkere energie, dat zijn de groten, denk ik. En dan zijn er nog dingen zoals het uitzoeken hoe je de algemene relativiteitstheorie en de deeltjesfysica met elkaar kunt verbinden. Maar ik denk dat als we de antwoorden op inflatie, donkere materie en donkere energie zouden kennen, dat ons veel aanwijzingen zou geven over hoe we een completer beeld van de natuurkunde kunnen samenstellen.

Je schrijft iets over existentialisme en angst in het boek. Is dat gewoon iets waar je over nadenkt omdat je dit boek schrijft, of is het er eigenlijk altijd?

Ben ik achtervolgd? Ik bedoel, ik denk dat het absoluut iets is waar ik voor het boek mee moest worstelen, omdat ik Ik denk dat het normaal is om de vraag te stellen: als we niet eeuwig doorgaan, wat betekent het dan eigenlijk? gemeen? Zoals: wat is de zin van het leven? Wat is het doel van het bestaan ​​als het een einddatum heeft? Het was dus zeker iets dat naar voren kwam bij het nadenken over al deze grote vragen. Ik ben niet iemand die al zijn tijd besteedt aan het nadenken over de zin van het leven in het algemeen. Meestal laat ik me niet in met dat soort dingen. En ik ben ook niet iemand die graag aan de dood denkt. Ik heb heel mijn best gedaan om niet aan de dood te denken, omdat ik het erg verontrustend vind. Het werd dus echt ingegeven door na te denken over dit boek en te proberen enige context rond deze grote ideeën te plaatsen, omdat de realiteit is dat we een emotionele reactie op het universum hebben. Zelfs als dat vanuit strikt praktisch oogpunt irrationeel lijkt, is het moeilijk om die reactie te vermijden.

Aanbevelingen van de redactie

• 5.000 ‘ogen’ zullen de nachtelijke hemel afspeuren op zoek naar aanwijzingen voor de puzzel van donkere energie
• Hoe gezichtsherkenning astronomen helpt de geheimen van donkere materie te onthullen
• Ruimtetelescoop om de mysteries van donkere energie en donkere materie te onderzoeken