De samenstelling van het heelal

Het universum is een enorme en fascinerende plek. Wanneer astronomen overwegen waar het van is gemaakt, kunnen ze het meest direct wijzen op de miljarden sterrenstelsels die het bevat. Elk van deze heeft miljoenen of miljarden of zelfs triljoenen sterren. Veel van die sterren hebben planeten. Er zijn ook wolken van gas en stof. 

Tussen de sterrenstelsels, waar het lijkt alsof er heel weinig "spul" zou zijn, bestaan ​​op sommige plaatsen wolken van hete gassen, terwijl andere gebieden bijna lege lege ruimtes zijn. Dat alles is materiaal dat kan worden gedetecteerd. Dus, hoe moeilijk kan het zijn om naar de kosmos te kijken en met een redelijke nauwkeurigheid de hoeveelheid lichtmassa (het materiaal dat we kunnen zien) in het universum te schatten, met behulp van radio-, infrarood- en röntgenastronomie?

Kosmische "dingen" detecteren

Nu astronomen zeer gevoelige detectoren hebben, boeken ze grote vooruitgang bij het uitzoeken van de massa van het universum en waaruit die massa bestaat. Maar dat is niet het probleem. De antwoorden die ze krijgen kloppen niet. Is hun methode om de massa op te tellen fout (niet waarschijnlijk) of is er iets anders; iets anders dat ze niet kunnen zien? Om de moeilijkheden te begrijpen, is het belangrijk om de massa van het universum te begrijpen en hoe astronomen dit meten.

Kosmische massa meten

Een van de grootste bewijzen voor de massa van het universum is iets dat de kosmische magnetronachtergrond (CMB) wordt genoemd. Het is geen fysieke 'barrière' of iets dergelijks. In plaats daarvan is het een toestand van het vroege universum die kan worden gemeten met microgolfdetectoren. De CMB dateert van kort na de oerknal en is eigenlijk de achtergrondtemperatuur van het universum. Zie het als warmte die overal in de kosmos even detecteerbaar is. Het is niet precies zoals de hitte die van de zon komt of van een planeet straalt. In plaats daarvan is het een zeer lage temperatuur gemeten bij 2,7 graden K. Wanneer astronomen deze temperatuur gaan meten, zien ze kleine, maar belangrijke fluctuaties verspreid over deze achtergrond "warmte". Het feit dat het bestaat, betekent echter dat het universum in wezen "plat" is. Dat betekent dat het voor altijd zal uitbreiden.

Dus wat betekent die vlakheid voor het uitzoeken van de massa van het universum? In wezen betekent dit, gezien de gemeten grootte van het universum, dat er voldoende massa en energie in aanwezig moet zijn om het "plat" te maken. Het probleem? Nou, wanneer astronomen alle "normale" materie (zoals sterren en sterrenstelsels, plus het gas in het universum bij elkaar optellen), is dat slechts ongeveer 5% van de kritische dichtheid die een vlak universum nodig heeft om plat te blijven.

Dat betekent dat 95 procent van het universum nog niet is gedetecteerd. Het is er, maar wat is het? Waar is het? Wetenschappers zeggen dat het bestaat als donkere materie en donkere energie. 

De samenstelling van het heelal

De massa die we kunnen zien, wordt 'baryonische' materie genoemd. Het zijn de planeten, sterrenstelsels, gaswolken en clusters. De massa die niet te zien is, wordt donkere materie genoemd. Er is ook energie (licht) die kan worden gemeten; interessant is dat er ook de zogenaamde 'donkere energie' is. en niemand heeft een heel goed idee van wat dat is. 

Dus wat is het universum en in welke percentages? Hier is een overzicht van de huidige verhoudingen van massa in het universum.

Zware elementen in de kosmos

Ten eerste zijn er de zware elementen. Ze vormen ongeveer ~ 0,03% van het universum. Bijna een half miljard jaar na de geboorte van het universum waren de enige elementen die bestonden waterstof en helium. Ze zijn niet zwaar.

Nadat sterren waren geboren, leefden en stierven, begon het universum echter te worden bezaaid met elementen die zwaarder waren dan waterstof en helium die in sterren werden "gekookt". Dat gebeurt als sterren waterstof (of andere elementen) in hun kernen samensmelten. Stardeath verspreidt al die elementen naar de ruimte door planetaire nevels of supernova-explosies. Als ze eenmaal in de ruimte zijn verspreid. ze zijn uitstekend materiaal voor het bouwen van de volgende generaties sterren en planeten. 

Dit is echter een langzaam proces. Zelfs bijna 14 miljard jaar na zijn oprichting, bestaat de enige kleine fractie van de massa van het universum uit elementen die zwaarder zijn dan helium.

neutrino's

Neutrino's maken ook deel uit van het universum, hoewel slechts ongeveer 0,3 procent ervan. Deze ontstaan ​​tijdens het kernfusieproces in de kernen van sterren, neutrino's zijn bijna massaloze deeltjes die met bijna de snelheid van het licht reizen. In combinatie met hun gebrek aan lading, betekent hun kleine massa dat ze niet direct in wisselwerking staan ​​met massa behalve een directe impact op een kern. Het meten van neutrino's is geen gemakkelijke taak. Maar het heeft wetenschappers in staat gesteld om goede schattingen te krijgen van kernfusiesnelheden van onze zon en andere sterren, evenals een schatting van de totale neutrinopopulatie in het universum.

Stars

Wanneer sterrenkijkers naar de nachtelijke hemel turen, is het grootste deel van wat de zee ziet sterren. Ze vormen ongeveer 0,4 procent van het universum. Maar wanneer mensen zelfs naar het zichtbare licht van andere sterrenstelsels kijken, zijn de meeste van wat ze zien sterren. Het lijkt vreemd dat ze slechts een klein deel van het universum uitmaken. 

gassen

Wat is er meer dan overvloedig dan sterren en neutrino's? Het blijkt dat gassen met vier procent een veel groter deel van de kosmos uitmaken. Ze nemen meestal de ruimte in beslag tussen sterren, en trouwens, de ruimte tussen hele sterrenstelsels. Interstellair gas, dat meestal gewoon vrije elementaire waterstof en helium is, vormt het grootste deel van de massa in het universum die direct kan worden gemeten. Deze gassen worden gedetecteerd met behulp van instrumenten die gevoelig zijn voor de radio-, infrarood- en röntgengolflengten.

Donkere materie

Het op een na meest voorkomende 'spul' van het universum is iets dat niemand anders heeft ontdekt. Toch maakt het ongeveer 22 procent van het universum uit. Wetenschappers die de beweging (rotatie) van sterrenstelsels analyseren, evenals de interactie van sterrenstelsels in clusters van sterrenstelsels, ontdekten dat al het aanwezige gas en stof niet voldoende is om het uiterlijk en de bewegingen van sterrenstelsels te verklaren. Het blijkt dat 80 procent van de massa in deze sterrenstelsels "donker" moet zijn. Dat wil zeggen, het is niet detecteerbaar in ieder golflengte van licht, radio via gammastraling. Daarom wordt dit "spul" "donkere materie" genoemd. 

De identiteit van deze mysterieuze massa? Onbekend. De beste kandidaat is koude donkere materie, waarvan wordt aangenomen dat het een deeltje is dat lijkt op een neutrino, maar met een veel grotere massa. Er wordt gedacht dat deze deeltjes, vaak bekend als zwak wisselwerkende massieve deeltjes (WIMP's), voortkwamen uit thermische interacties in vroege melkwegformaties. Tot nu toe hebben we donkere materie echter niet direct of indirect kunnen detecteren of in een laboratorium kunnen maken.

Donkere energie

De meest voorkomende massa van het universum is geen donkere materie of sterren of sterrenstelsels of wolken van gas en stof. Het is iets dat "donkere energie" wordt genoemd en het maakt 73 procent uit van het universum. In feite is donkere energie helemaal niet (waarschijnlijk) zelfs enorm. Dat maakt de categorisatie van "massa" enigszins verwarrend. Dus wat is het? Mogelijk is het een zeer vreemde eigenschap van ruimte-tijd zelf, of misschien zelfs een onverklaarbaar (tot nu toe) energieveld dat het hele universum doordringt. Of het zijn geen van die dingen. Niemand weet het. Alleen tijd en nog veel meer gegevens zullen het leren.

Bewerkt en bijgewerkt door Carolyn Collins Petersen.