Wat is de Steady State Theorie?

het centrum van ons sterrenstelsel
Het centrum van ons melkwegstelsel, gezien door de infrarood camera’s van de Spitzer Space Telescope. Credit: NASA, JPL-Caltech, Susan Stolovy (SSC/Caltech) et al.

In de loop van onze geschiedenis zijn er verschillende theorieën opgesteld over de herkomst van het heelal. Zo ongeveer iedere cultuur die ooit heeft bestaan had zijn eigen mythologische traditie die zijn eigen verhaal over het ontstaan van het heelal kende. Met de geboorte van de wetenschappelijke traditie begonnen astronomen te begrijpen hoe ze het heelal met natuurkundige wetten konden testen en bewijzen.

Met de opkomst van de ruimtevaart begonnen wetenschappers kosmologische theorieën te testen aan de hand van waarneembare fenomenen. Uit al dit ontstonden inde tweede helft van de 20ste eeuw verschillende theorieën die allemaal probeerden te verklaren hoe alle materie en de bijbehorende natuurkundige wetten zijn ontstaan. Van al deze theorieën is de Oerknaltheorie de meest geaccepteerde en is, historisch gezien, de Steady State theorie de grootste uitdager van deze theorie.

Het Steady State model zegt dat de dichtheid van materie in het uitdijende heelal niet de tijd niet verandert. Dit is zo omdat er steeds nieuwe materie ontstaat. Met andere woorden, het waarneembare heelal blijft hetzelfde ongeacht de plaats of de tijd. Dit is in scherp contrast met de theorie die zegt dat de meerderheid van de materie is ontstaan tijdens een enkele gebeurtenis (de Oerknal) en dat die materie zich sinds die tijd steeds verder verspreid.

Schema om de uitdijingssnelheid van het heelal te meten
De drie stappen die astronomen gebruiken om de uitdijingssnelheid van het heelal te bepalen (de Hubble Constante). Credit: NASA, ESA, A. Feild (STScI), and A. Riess (STScI/JHU)

Herkomst

In de geschiedenis is een stabiel en onveranderlijk heelal altijd omarmd maar het duurde tot de moderne tijd voordat wetenschappers dit in astrofysisch termen begonnen te interpreteren. Het eerste duidelijke voorbeeld waarin een onveranderlijk heelal in astronomische en kosmologische termen werd beschreven was de Mathematical Principles of Natural Philisophy (de Pilosophiae Naturalis Principia Mathematica) van Isaac Newton. Dit meesterwerk werd in 1687 gepubliceerd.

In Newton ’s meesterwerk beschreef hij het heelal voorbij het zonnestelsel als een lege ruimte die in alle richtingen tot op oneindige afstanden hetzelfde is. Hij beschreef verder, middels wiskundig bewijs en waarnemingen, dat alle beweging en dynamica in dit systeem verklaard konden worden door het enkele  principe van de universele aantrekkingskracht.

Het Steady State model ontstond echter pas in de 20ste eeuw. Dit kosmologische model was geïnspireerd op verschillende ontdekkingen en op doorbraken in de theoretische natuurkunde. Dit waren onder andere de Algemene Relativiteitstheorie van Albert Einstein en de waarnemingen van Edwin Hubble die aantoonden dat het heelal voortdurend uitdijt.

Einstein formaliseerde de Algemene Relativiteitstheorie in 1915 nadat hi besloot de Speciale Relativiteitstheorie uit te breiden met de zwaartekracht. Uiteindelijk stelt deze theorie dat de aantrekkingskracht van materie en energie direct de kromming van de ruimtetijd eromheen verandert. Anders gezegd: de ruimtetijd vertelt materie hoe te bewegen en materie vertelt de ruimtetijd hoe te krommen.

Schematische weergave Hubble Deep Field
Illustratie van de diepte waarmee Hubble sterrenstelsels afbeeldde in eerdere Deep Field-initiatieven, in eenheden van het tijdperk van het heelal. Credit: NASA en A. Feild (STScI)

In 1917 hadden theoretische berekeningen die gebaseerd waren op de vergelijkingen van Einstein aangetoond dat het heelal of uitdijt of samentrekt. In 1929 leiden waarnemingen gedaan door George Lemaître (die de Oerknaltheorie als eerste voorstelde) en Edwin Hubble (gedaan met de 100 inch Hookertelescoop van de Mount Wilson sterrenwacht) ertoe dat men concludeerde dat het heelal samentrekt.

Uitgaande van deze waarnemingen startte in de jaren ’30 van de vorige eeuw een debat over de mogelijke oorsprong en de ware aard van het heelal. Aan de ene kant de astronomen die stelden dat het heelal eindig in leeftijd is en in de tijd evolueerde door af te koelen, uit te dijen en structuren te vormen als gevolg van gravitationele ineenstorting. Deze theorie werd door Fred Hoyle satirisch “de Oerknal” genoemd en deze naam bleef.

Ondertussen hield de meerderheid van de astronomen destijds vast aan de theorie die zegt dat terwijl het zichtbare heelal uitdijt het toch niet verandert in termen van dichtheid van de materie. Kort gezegd, voorstanders van deze theorie betoogden dat het heelal geen begin heeft, geen einde kent en dat er in de tijd voortdurend materie ontstaat. Deze materie zou met een snelheid van één waterstofatoom per kubieke meter per 100 miljard jaar ontstaan.

Deze theorie vulde ook het Kosmologisch Principe oftewel de Kosmologische Constante van Albert Einstein aan. Einstein had dit principe in 1931 voorgesteld. Volgens Einstein was deze kracht verantwoordelijk voor het “tegenhouden van de zwaartekracht” en zorgde die er voor dat het heelal stabiel, homogeen en isotroop bleef in termen van structuren op grote schaal.

Door dit principe te wijzigen en uit te breiden, stelden leden van de Steady State-gedachtegang dat het de voortdurende creatie van materie was die ervoor zorgde dat de structuur van het heelal in de loop van de tijd hetzelfde bleef. Dit wordt ook wel het perfecte kosmologische principe genoemd, dat de steady-state-hypothese ongedaan maakt.

Algemene bekendheid verkreeg de Steady State theorie in 1948 toen er twee artikelen verschenen. De Engelse astronoom Fred Hoyle publiceerde “Model for an Expanding Universe” en de Brits-Australische kosmologen en astrofysici Hermann Bondi en Thomas Gold publiceerden “The Steady State Theory and the Expanding Universe”.

Belangrijkste argumenten en voorspellingen

Argumenten voor de Steady State Hypothese omvatten het ogenschijnlijke tijdschaalprobleem dat wordt opgeworpen door de waargenomen snelheid van de kosmische uitdijing (ook bekend als de Hubble Constante of de wet van Hubble-Lemaitre). Gebaseerd op Hubble ‘s waarnemingen van nabije sterrenstelsels, berekende hij dat het Universum zich uitbreidde met een snelheid die systematisch toenam met de afstand.

Dit gaf voeding aan het idee dat het heelal vanuit een veel kleiner volume begon te expanderen. Bij de afwezigheid van versnelling/vertraging, 500 km/sec per Megaparsec, betekende de Hubble Constante dat alle materie gedurende ongeveer 2 miljard jaar uitdijde, en dat zou meteen de bovenste grens van de leeftijd van het heelal zijn.

Deze bevinding werd door middel van radioactieve datering tegengesproken. Bij radioactieve datering meten wetenschappers de snelheid van het verval voor bijvoorbeeld Uranium-238 en Plutonium-205 in gesteente. Met behulp van deze methode werden de oudste monsters (die afkomstig waren van de Maan) gedateerd op ongeveer 4,6 miljard jaar oud. Een andere ongerijmdheid kwam vanuit de theorie over de evolutie van sterren.

In het kort, de snelheid waarin waterstof in het binnenste door middel van kernfusie wordt omgezet tot helium geeft aan dat bolhopen maximaal ongeveer 10 miljard jaar oud kunnen zijn. De sterren in bolhopen zijn de oudste sterren in ons sterrenstelsel. Verder zou er geen evolutie op grote afstanden kunnen plaatsvinden in dit model en dat zou betekenen dat radiobronnen zoals Actieve Galactische Kernen uniform verdeeld in het heelal moeten ontstaan.

Dit zou ook betekenen dat de Hubble Constante (zoals berekend in het begin van de 20ste eeuw) constant zou blijven. Het Steady State model voorspelde ook dat een stabiele productie van antimaterie en neutronen zou resulteren in regelmatige vernietigingen en verval van neutronen, wat zou leiden tot het bestaan van een achtergrond van gammastraling en heet gas dat röntgenstraling uitzendt in het hele heelal.

Overwinning voor de Oerknal

In de jaren ’50 en ’60 van de vorige eeuw leidden waarnemingen tot steeds meer bewijs tegen de Steady State theorie. Zo werden er heldere radiobronnen gevonden (quasars en radiosterrenstelsels). Deze werden aangetroffen in ver verwijderde sterrenstelsels en niet in de sterrenstelsels dicht bij ons. Dit duidde erop dat sterrenstelsels in de loop van de tijd “radiostil” waren geworden.

De kosmische achtergrondstraling volgens Planck
De kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht door de Europese Planck-satelliet. Credit: ESA

In 1961 maakten onderzoeken van radiobronnen het mogelijk om statistische analyses uit te voeren, waardoor de mogelijkheid werd uitgesloten dat heldere radiostelsels uniform werden verdeeld. Een ander belangrijk argument tegen de Steady State Hypothesis was de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling (Cosmic Microwave Background (CMB)) in 1964, die door het Oerknal-model werd voorspeld.

Gecombineerd met de afwezigheid van een achtergrond van gammastraling en doordringende wolken van röntgen emitterend gas werd het Oerknalmodel in de jaren ’60 van de vorige eeuw het algemeen geaccepteerde model. In de jaren ’90 ontdekte men met behulp van de Hubble Space Telescope en andere observatoria dat de uitdijing van het heelal niet altijd gelijk is geweest inde tijd. Gedurende de laatste drie miljard vindt er zelfs een versnelling van de uitdijing plaats.

Dit heeft geleid tot verschillende verfijningen van de Hubble Constante. Gebaseerd op gegevens die met de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) zijn verkregen is de mate van uitdijing van het heelal geschat op 70 tot 73,8 km/s per Mpc met een foutmarge van 3%. Deze waarnemingen komen veel beter overeen met waarnemingen die zeggen dat de leeftijd van het heelal ongeveer 13,8 miljard jaar bedraagt.

Moderne varianten

Vanaf 1993 publiceerden Fred Hoyle, Geoffrey Burbidge en Jayant Narlikar een serie onderzoeken waarin ze een nieuwe versie van de Steady State Theorie voorstelden. Deze variant is bekend als de Quasi Steady State theorie (QSS). De QS probeerde kosmologische fenomenen te verklaren die de oude theorie niet kon.

Het QSS-model stelde dat het heelal het resultaat is van zakken van schepping oftewel mini-knallen die in een tijdsbestek van verschillende miljarden jaren plaatsvonden. Dit model werd aangepast als reactie op gegevens die aantoonden dat het heelal steeds sneller uitdijt. Ondanks deze aanpassingen beschouwd de astronomische gemeenschap de Oerknal nog steeds als het model dat de waargenomen fenomenen het beste verklaard.

Dit model is tegenwoordig bekend als het Lambda Cold Dark Matter (LCDM) model en het omvat de huidige theorieën over donkere materie en donkere energie en de oerknal. Ondanks dat zijn er nog steeds astrofysici die achter de Steady State Theorie en zijn varianten staan. En het is niet het enige alternatief voor de Oerknalkosmologie.

 

Eerste publicatie: 11 mart 2020
Bron: UniverseToday