Dit is hoe verre melkwegstelsels zich sneller dan het licht van ons verwijderen

van ons af en hoe meer zijn licht roodverschoven lijkt. Een sterrenstelsel dat met het uitdijende heelal meebeweegt, zal vandaag zelfs een groter aantal lichtjaren van ons verwijderd zijn dan het aantal jaren (vermenigvuldigd met de lichtsnelheid) dat het uitgestraalde licht nodig had om ons te bereiken. Maar we kunnen roodverschuivingen en blauwverschuivingen alleen begrijpen als we ze toeschrijven aan een combinatie van effecten die te wijten zijn aan zowel beweging (speciale relativistische) als het uitdijende weefsel van de ruimte (algemene relativiteit). Larry McNish van het RASC Calgary Center

Als je in het verre heelal kijkt, kom je sterrenstelsels tegen die miljoenen, miljarden of zelfs tientallen miljarden lichtjaren ver weg zijn. Gemiddeld genomen is het zo dat hoe verder een sterrenstelsel van je af staat, hoe sneller het zich van je verwijdert. Dit wordt zichtbaar als je kijkt naar de kleuren van de sterren in het melkwegstelsel, en naar de emissie- en absorptielijnen van het melkwegstelsel zelf: die lijken systematisch naar het rood te zijn verschoven.

Op den duur zul je melkwegstelsels gaan zien die zo ver weg staan dat het licht ervan zo sterk roodverschoven is dat het lijkt alsof ze voorbij een bepaalde afstand de lichtsnelheid benaderen, bereiken, en zelfs overschrijden. Het feit dat dit is wat we in werkelijkheid zien, kan je doen twijfelen aan alles wat je dacht te weten over relativiteit, natuurkunde en het heelal. Maar wat je ziet is echt; die roodverschuivingen zijn geen leugen. Hier is wat die verre melkwegstelsels zo erg roodverschuift, en wat het werkelijk betekent voor de snelheid van het licht.

De tijd zal voor de reiziger merkbaar anders verstrijken dan voor degene die in een constant referentiekader blijft. Je kunt echter alleen klokken (tijd) en meetlatten (afstand) vergelijken tussen waarnemers die zich op dezelfde plek in het heelal bevinden (of op dezelfde verzameling ruimte- en tijdcoördinaten); waarnemers die op enige afstand van elkaar zijn verwijderd, moeten ook rekening houden met de niet-vlakke, niet-statische eigenschappen van ruimtetijd. Tweelingparadox, via http://www.twin-paradox.com/

Het idee van relativiteit is iets waarvan de meeste mensen denken dat ze het begrijpen, maar het is belangrijk om voorzichtig te zijn omdat Einsteins theorie zo gemakkelijk verkeerd begrepen kan worden. Ja, het is waar dat er een ultieme snelheid is voor objecten in het heelal: de snelheid van het licht in een vacuüm, c, ofwel 299.792.458 m/s. Alleen deeltjes zonder massa kunnen met die snelheid bewegen; alles wat een echte, positieve massa heeft kan alleen maar langzamer dan de lichtsnelheid bewegen.

Maar als we het hebben over begrensd worden door de lichtsnelheid, maken we impliciet een aanname die de meesten van ons zich niet realiseren: we hebben het over een voorwerp dat beweegt ten opzichte van een ander voorwerp op dezelfde gebeurtenis in de ruimtetijd, dat wil zeggen dat ze zich op hetzelfde moment in de tijd op dezelfde ruimtelijke plaats bevinden. Als je twee objecten hebt met verschillende ruimtetijd coördinaten van elkaar, dan komt er nog een factor bij kijken die absoluut niet genegeerd kan worden.

en Zon in ons Zonnestelsel, moeten in aanmerking worden genomen voor alle waarnemingen die een ruimtevaartuig of ander observatorium zou doen. De effecten van de Algemene Relativiteit, zelfs de subtiele, kunnen niet worden genegeerd in toepassingen die variëren van ruimteverkenning tot GPS-satellieten tot een lichtsignaal dat in de buurt van de Zon passeert. NASA/JPL-Caltech, voor de Cassini missie

Naast de speciale relativistische beweging, die optreedt ten opzichte van de ruimtetijdcoördinaat die je op dat moment inneemt, is er nog een effect dat pas zichtbaar wordt als je in termen van algemene relativiteit gaat denken: de kromming en evolutie van de ruimtetijd zelf.

Waar de speciale relativiteit zich alleen afspeelt in een ongekromde, statische ruimte, heeft het werkelijke heelal materie en energie in zich. De aanwezigheid van materie/energie betekent dat objecten in onze ruimtetijd niet statisch en onveranderlijk kunnen zijn, maar dat hun ruimtelijke posities in de loop van de tijd zullen evolueren naarmate het weefsel van de ruimtetijd zelf evolueert. Als je in de buurt bent van een grote massa, zoals een ster of een zwart gat, zal de ruimte gekromd zijn zodat je een versnelling ondervindt in de richting van die massa. Dit gebeurt zelfs als er geen beweging is ten opzichte van het ruimteweefsel zelf; de ruimte gedraagt zich als een stromende rivier of een bewegende loopbrug, die alle voorwerpen meesleurt als hij stroomt.

Bij het zwarte gat van Schwarzschild stroomt de ruimte als een bewegende loopbrug of als een waterval, afhankelijk van hoe je het wilt visualiseren. Bij de waarnemingshorizon, zelfs als je met de snelheid van het licht zou rennen (of zwemmen), zou je de stroom van ruimtetijd niet kunnen overwinnen, die je meesleurt naar de singulariteit in het centrum. Buiten de waarnemingshorizon kunnen andere krachten (zoals elektromagnetisme) echter vaak de aantrekkingskracht van de zwaartekracht overwinnen, waardoor zelfs infallerende materie kan ontsnappen. Andrew Hamilton / JILA / University of Colorado

In een heelal dat op ruwweg uniforme wijze met materie is gevuld, vooral op de grootste schalen, gelden de veranderingen die de ruimtetijd ondergaat op schalen van het hele waarneembare heelal. In het bijzonder kan een heelal dat zowel homogeen (op alle plaatsen hetzelfde) als isotroop (in alle richtingen hetzelfde) gevuld is niet statisch blijven, maar moet het ofwel uitdijen ofwel inkrimpen.

Toen Alexander Friedmann in 1922 voor het eerst de vergelijkingen afleidde die deze oplossing vereisten, werd er weinig aandacht aan besteed. Vijf jaar later, geheel onafhankelijk, kwam Georges Lemaître op dezelfde oplossing, die hij onmiddellijk naar Einstein zelf stuurde. Toen Einstein het werk ontving, kon hij er geen fout in vinden, maar hij kon de conclusie niet aanvaarden en verklaarde beroemd: “Uw berekeningen zijn juist, maar uw fysica is afschuwelijk.” Maar zijn natuurkunde was niet afschuwelijk; het was de sleutel tot de ontsluiting van het heelal.

door de interstellaire wolken schijnt. Variabele sterren zijn er in vele soorten; één ervan, cepheïden, kan zowel binnen ons eigen melkwegstelsel als in melkwegstelsels tot op 50-60 miljoen lichtjaar afstand worden gemeten. Dit stelt ons in staat afstanden te extrapoleren van ons eigen melkwegstelsel naar veel verder weg gelegen stelsels in het heelal. Andere klassen van individuele sterren, zoals een ster aan het uiteinde van de AGB of een RR Lyrae-variabele, kunnen in plaats van cepheïden worden gebruikt, wat vergelijkbare resultaten oplevert en hetzelfde kosmische raadsel over de uitdijingssnelheid. NASA, ESA en het Hubble Heritage Team

Op ongeveer hetzelfde moment – in de jaren 1910 en 1920 – hadden astronomen net de technische mogelijkheden verworven om twee belangrijke metingen te doen aan zwakke, verre objecten.

1. Door gebruik te maken van de techniek van spectroscopie, waarbij het licht van een object kan worden opgedeeld in de afzonderlijke golflengten, konden astronomen de trefzekere signatuur van specifieke atomen identificeren: absorptie- en emissielijnen die bij specifieke golflengten voorkomen. Op basis van de systematische verschuiving van die spectraallijnen, hetzij naar het rood of naar het blauw met dezelfde totale factor, zouden astronomen de totale roodverschuiving (of blauwverschuiving) van een ver object, zoals een sterrenstelsel, kunnen meten.
2. Door specifieke eigenschappen van een ver object te identificeren die iets zeggen over zijn intrinsieke eigenschappen, zoals de intrinsieke helderheid van een ster of de werkelijke grootte van een sterrenstelsel, evenals de schijnbare helderheid of de schijnbare hoekdiameter, zouden astronomen vervolgens de afstand tot dat object kunnen afleiden.

de objecten die wij waarnemen vertonen de spectrale kenmerken van absorptie of emissie van bepaalde atomen, ionen of moleculen, maar met een systematische verschuiving naar het rode of blauwe uiteinde van het lichtspectrum. In combinatie met de afstandsmetingen van Hubble gaven deze gegevens aanleiding tot het eerste idee van het uitdijende heelal: hoe verder weg een sterrenstelsel staat, hoe meer zijn licht roodverschoven is. Vesto Slipher, (1917): Proc. Amer. Phil. Soc., 56, 403

Door beide reeksen waarnemingen te combineren, wat wetenschappers tegen het eind van de jaren twintig begonnen te doen, ontstond een duidelijk patroon: hoe verder weg de afstand van een melkwegstelsel werd gemeten, hoe groter de roodverschuiving ervan was. Dit was slechts een algemene trend, omdat individuele melkwegstelsels extra roodverschuivingen en blauwverschuivingen bleken te hebben bovenop deze algemene trend, maar de algemene trend bleef duidelijk.

Specifiek zijn de “extra” roodverschuivingen en blauwverschuivingen die verschijnen altijd onafhankelijk van de afstand, en komen overeen met snelheden variërend van tientallen tot honderden tot een paar duizend kilometer per seconde, maar niet sneller. Als je echter kijkt naar melkwegstelsels die twee keer zo ver weg zijn als een dichterbij gelegen melkwegstelsel, dan is de gemiddelde roodverschuiving twee keer zo groot als die van de dichterbij gelegen melkwegstelsels. Op 10 keer de afstand, is de roodverschuiving 10 keer zo groot. En deze trend zet zich voort zo ver als we willen kijken, van miljoenen tot tientallen miljoenen tot honderden miljoenen tot miljarden lichtjaren afstand.

Uitdijing van het heelal, gevolgd door vervolgens meer gedetailleerde, maar ook onzekere, waarnemingen. Hubble’s grafiek toont duidelijk de roodverschuiving-afstand relatie met gegevens die superieur zijn aan die van zijn voorgangers en concurrenten; de moderne equivalenten gaan veel verder. Merk op dat eigenaardige snelheden altijd aanwezig blijven, zelfs op grote afstanden. Robert P. Kirshner (R), Edwin Hubble (L)

Zoals u ziet, is de trend dat deze relatie – tussen de gemeten roodverschuiving en afstand – blijft bestaan voor buitengewone afstanden. De roodverschuiving-afstand relatie, al generaties lang bekend als de wet van Hubble (onlangs herzien tot de wet van Hubble-Lemaître) maar onafhankelijk ontdekt door zowel Lemaître als Howard Robertson voordat Hubble hem ooit publiceerde, is een van de meest robuuste empirische relaties die ooit in de astronomie zijn ontdekt.

De standaard interpretatie van deze trend, inclusief de extra roodverschuivingen en blauwverschuivingen die inherent zijn aan elk individueel object, is dat er twee delen zijn aan de roodverschuivingen en/of blauwverschuivingen van elk object.

1. De component die het gevolg is van de algehele uitdijing van het heelal, de roodverschuiving-afstand relatie, is verantwoordelijk voor het merendeel van de roodverschuivingen, vooral op grote afstanden.
2. De component die toe te schrijven is aan de beweging van elk individueel melkwegstelsel door de ruimte, die de “extra” verstoringen aan de top van de hoofdtrendlijn veroorzaakt, is het gevolg van de speciale relativistische beweging ten opzichte van het uitdijende weefsel van de ruimte.

onderdichte (blauw/zwart) gebieden van het heelal bij ons in de buurt. De lijnen en pijlen illustreren de richting van de eigenaardige snelheidsstromen, die de gravitationele duw- en trekkrachten op de melkwegstelsels rond ons zijn. Al deze bewegingen zijn echter ingebed in het weefsel van de uitdijende ruimte, dus een gemeten/waargenomen roodverschuiving of blauwverschuiving is de combinatie van de uitdijing van de ruimte en de beweging van een verafgelegen, waargenomen object. Cosmography of the Local Universe – Courtois, Helene M. et al. Astron.J. 146 (2013) 69

De speciale relativistische bewegingen zijn gemakkelijk te begrijpen: ze veroorzaken een verschuiving in de golflengte van licht op dezelfde manier als een bewegende ijscowagen een verschuiving veroorzaakt in de golflengte van geluid dat bij je oor aankomt. Als de ijscowagen naar je toe beweegt, zullen de geluidsgolven gecomprimeerd en met een hogere toon bij je aankomen, analoog aan een blauwverschuiving voor licht. Wanneer hij van je af beweegt, is er meer ruimte tussen elke golfkam, en dus klinkt het geluid lager, analoog aan een roodverschuiving.

Maar de uitzetting van de ruimte speelt een belangrijkere rol, vooral op grotere schalen. Als je het weefsel van de ruimte voorstelt als een bal deeg, met rozijnen er doorheen (die gravitationeel gebonden structuren zoals sterrenstelsels voorstellen), dan zal elke rozijn de nabije rozijnen zien als langzaam terugtrekkend op een omnidirectionele manier. Maar hoe verder weg een rozijn is, hoe sneller hij lijkt terug te trekken, ook al bewegen de rozijnen niet ten opzichte van het deeg. Het deeg dijt uit, net zoals de stof van de ruimte uitdijt, en alles wat we kunnen doen is de totale roodverschuiving bekijken.

Heelal, waar relatieve afstanden toenemen als de ruimte (deeg) uitdijt. Hoe verder twee rozijnen van elkaar verwijderd zijn, hoe groter de waargenomen roodverschuiving zal zijn tegen de tijd dat het licht wordt ontvangen. De relatie roodverschuiving-afstand die wordt voorspeld door het uitdijende heelal wordt bevestigd door waarnemingen, en is consistent met wat al sinds de jaren twintig van de vorige eeuw bekend is. NASA / WMAP Science Team

Als je de waarde van de uitdijingssnelheid meet, zul je zien dat die kan worden uitgedrukt in een snelheid-per-eenheid-afstand. Bijvoorbeeld, uit de kosmische afstandsladder leiden we een waarde af van H0, de uitdijingssnelheid, die 73 km/s/Mpc is. (Waarbij een Mpc ongeveer 3,26 miljoen lichtjaar is.) Gebruik maken van de kosmische microgolf-achtergrond of de kenmerken van grootschalige structuur levert een vergelijkbare, maar iets lagere waarde op: 67 km/s/Mpc.

Hoe dan ook, er is een kritieke afstand waarop de schijnbare vluchtsnelheid van een sterrenstelsel de lichtsnelheid zal overschrijden: rond een afstand van 13 tot 15 miljard lichtjaar. Daarboven lijken sterrenstelsels sneller dan het licht terug te trekken, maar dit is niet het gevolg van een echte superluminale beweging, maar eerder van het feit dat de ruimte zelf uitdijt, waardoor het licht van verafgelegen objecten roodverschuift. Wanneer we de verfijnde details van deze relatie onderzoeken, kunnen we ondubbelzinnig concluderen dat de “beweging” verklaring niet overeenkomt met de gegevens.

verklaring voor roodverschuiving/afstanden (stippellijn) en algemene relativiteitsvoorspellingen (ononderbroken) voor afstanden in het uitdijende Heelal. Definitief is dat alleen de voorspellingen van de algemene relativiteit overeenkomen met wat we waarnemen. Wikimedia Commons gebruiker Redshiftimprove

Het heelal is echt aan het uitdijen, en de reden dat we het licht van verre objecten zo sterk roodverschoven zien is te wijten aan het uitdijende weefsel van de ruimte, niet aan de beweging van melkwegstelsels door de ruimte. In werkelijkheid bewegen individuele melkwegstelsels doorgaans met betrekkelijk lage snelheden door de ruimte: tussen 0,05% en 1,0% van de lichtsnelheid, niet meer.

Maar je hoeft niet naar heel grote afstanden te kijken – 100 miljoen lichtjaar is ruim voldoende – voordat de effecten van het uitdijende heelal onmiskenbaar worden. De verste sterrenstelsels die voor ons zichtbaar zijn, bevinden zich al op meer dan 30 miljard lichtjaar afstand, omdat het heelal maar blijft uitdijen en dat ultraverre licht blijft rekken voordat het bij onze ogen aankomt. Nu we van het tijdperk van de Hubble naar het tijdperk van James Webb gaan, hopen we die grens nog verder te verleggen. Maar hoe ver we ook kunnen kijken, de meeste sterrenstelsels in het heelal zullen voor altijd buiten ons bereik blijven.

gedeelten van het Heelal, die zijn wat ze zijn dankzij de uitdijing van de ruimte en de energiecomponenten van het Heelal. 97% van de melkwegstelsels in ons waarneembare heelal bevindt zich buiten de magenta cirkel; zij zijn onbereikbaar voor ons vandaag, zelfs in principe, hoewel wij ze altijd kunnen bekijken in hun verleden dankzij de eigenschappen van licht en ruimtetijd. E. Siegel, gebaseerd op werk van Wikimedia Commons gebruikers Azcolvin 429 en Frédéric MICHEL

Alle melkwegstelsels in het heelal voorbij een bepaalde afstand lijken zich van ons terug te trekken met snelheden sneller dan het licht. Zelfs als wij vandaag een foton met de snelheid van het licht zouden uitzenden, zal het nooit een melkwegstelsel bereiken dat verder dan die bepaalde afstand is. Dat betekent dat gebeurtenissen die vandaag in die sterrenstelsels plaatsvinden, nooit door ons zullen kunnen worden waargenomen. Dat komt echter niet omdat de sterrenstelsels zelf sneller bewegen dan het licht, maar omdat het weefsel van de ruimte zelf uitdijt.

In de 7 minuten die u nodig had om dit artikel te lezen, is het heelal voldoende uitgedijd, zodat nog eens 15.000.000 sterren die kritische afstandsdrempel hebben overschreden en voor altijd onbereikbaar zijn geworden. Ze lijken alleen sneller dan het licht te bewegen als we vasthouden aan een zuiver speciale relativistische verklaring van roodverschuiving, een dwaze weg om in te slaan in een tijdperk waarin de algemene relativiteit goed is bevestigd. Maar het leidt tot een nog ongemakkelijker conclusie: van de 2 triljoen sterrenstelsels in ons waarneembare heelal is momenteel slechts 3% bereikbaar, zelfs met de lichtsnelheid.

Als we een zo groot mogelijk deel van het heelal willen onderzoeken, kunnen we ons geen uitstel veroorloven. Met elk voorbijgaand moment glipt een nieuwe kans om intelligent leven tegen te komen voor altijd buiten ons bereik.

Volg me op Twitter. Bekijk mijn website of een deel van mijn andere werk hier.