Kosmologie


Het gezamenlijk streven van sterren- en natuurkundigen om het ontstaan, de evolutie en het lot van het universum te begrijpen.
Hieronder volgt een korte geschiedenis.
KOSMOLOGIE IN DE OUDHEID
In Aristoteles' voorstelling van het universum was de Aarde het vaste centrum en alle bewegende hemellichamen, inclusief de Zon werden bewogen door de kalme rotatie van 56 concentrische kristallen bollen rondom de Aarde. Verder weg was de bol van de vaste sterren. De wrijving van de bollen maakte muziek die alleen door de scherpste oren gehoord kon worden.
De Aarde was het centrum van het universum omdat het was gemaakt van zware substanties die de neiging hebben om naar het centrum te bewegen. Aristoteles verdeelde het heelal in ondermaanse en bovenaardse werelden. Perfecte cirkelvormige beweging was karakteristiek voor de bovenaardse werelden. In de ogen van Aristoteles waren de kometen ondermaans, dat wil zeggen dat ze bestonden in de atmosfeer.
De Egyptenaren hadden het idee dat de dagelijkse (of nachtelijke) cirkelbeweging van de sterren veroorzaakt werd door het feit dat de Aarde draaide om zijn as. Heraclides bracht dat idee over naar Griekenland. Hij bracht ook het idee naar voren dat Mercurius en Venus om de Zon draaiden maar dat de Zon en de overige planeten om de Aarde draaiden.

HET EERSTE HELIOCENTRISCHE SYSTEEM
Voor zover we weten was de Griekse astronoom Aristarchus de eerste die zei dat de Aarde om de Zon draaide en niet andersom. Hij berekende ook de afstand tot de Zon en de Maan vanaf de Aarde en volgens hem was de afstand van de Zon 19 keer groter dan die van de Maan. Het resultaat was logisch berekend maar slechts een fractie van de werkelijke afstand. (De werkelijke afstand van de Zon is 400 keer de afstand tot de Maan.) Na Aristarchus duurde het 1800 jaar voordat Copernicus het idee van het heliocentrische systeem opnieuw introduceerde.
Toen de Griekse astronoom Hipparchus zijn eigen metingen vergeleek met die van 150 jaar daarvoor, merkte hij op dat de positie van de sterren met twee graden was verschoven. De verklaring was dat de aardas, naast de normale draaiing van de aarde zelf, langzaam een cirkel beschrijft zoals een snel draaiende tol dat doet. Hipparchus merkte ook op dat de beweging van de Zon niet gelijk was door het jaar heen. De Zon beweegt sneller in de winter en langzamer in de zomer. Om dit te verklaren stelde hij een epicikel voor die al eerder was voorgesteld om onregelmatigheden in de cirkelbewegingen te verklaren. (De eerste die een epicikel voorstelde was Apollonius van Perga in de derde eeuw voor Christus.)
De Griekse astronoom Ptolemaeus publiceerde een 13-delig astronomische verhandeling genaamd "Almagest".
In zijn inleiding beschreef hij, net als Aristoteles vůůr hem, een geocentrisch universum waarbij de sterren bewegen langs de oppervlakten van kristallen bollen van verschillende grootte. Ptolemaeus verfijnde de theorie van Hipparchus van de epicikels. (Ptolemaeus had 80 epicikels nodig in totaal.)
In het systeem van Ptolemaeus was de Aarde het centrum waaromheen de hemellichamen zich bewegen in deze volgorde (tussen haken staat de afstand tot de Aarde in diameters van de Aarde): De Maan (48), Mercurius (115), Venus (623), de Zon (1210), Mars (5040), Jupiter (11503), Saturnus (17026) en de vaste sterren (19865). Bij hun omloop beweegt elke satelliet zich om een kleine cirkel, een epicikel, zodanig dat de Maan op haar verste punt net zover weg was als Mercurius op haar dichstbijzijnde punt. En Mercurius op haar verste punt net zover weg als Venus op haar dichstbijzijnde punt enzovoorts. Op die manier waren er geen lege plekken in de ruimte. Het systeem van Ptolemaeus bleef de basis van de astronomie tot het einde van de Middeleeuwen.
De Poolse astronoom Nicolaas Copernicus was de eerste sinds Aristarchus die een heliocentrisch systeem voorstelde. Hij ontdekte fouten in het systeem van Ptolemaeus. De resultaten van zijn onderzoek zijn gepubliceerd in "De Revolutionibus". Copernicus verwierp het geocentrische concept van het universum. Hij zei dat de Zon het centrum van het heelal was en dat de planeten er in cirkelvormige banen omheen draaiden. Maar zelfs Copernicus kon niet de theorie van de epicikels weerleggen. Volgens hem bewogen de planeten rond een kleine cirkel op hun baan. (Ook de Zon bewoog rond een kleine cirkel om een centraal punt.)
De Aarde draaide om haar as wat de beweging van de sterren veroorzaakte.
Copernicus was in staat om de relatieve afstanden van de Zon tot de planeten te berekenen. Bovendien nam hij waar dat de baansnelheid van de planeten sneller was als ze dichter bij de Zon stonden.
De ideŽen die Copernicus naar voren bracht, werden met gemengde gevoelens ontvangen onder sommige astronomen en de Katholieke Kerk die het boek verbood in 1616. Toch kreeg het nieuwe heliocentrische beeld van het universum vaste voet aan de grond, gedeeltelijk ook door de nieuwe uitvinding van de boekdrukkunst.
Zoals het systeem van Aristoteles was het systeem van Copernicus eindig en de verre sterren waren bevestigd tegen een grote vaste bol, die wel groter was geworden sinds de tijd van Aristoteles. De vaste sterren waren heel ver verwijderd van de buitenste planeet, voor zover bekend in die tijd was dat Saturnus.
Vanwege de Kerk werd "De Revolutionibus" pas gepubliceerd na de dood van Copernicus.
De Deense astronoom Tycho Brahe ontdekte in 1572 een nieuwe ster in het sterrenbeeld Cassiopeia die met het blote oog zichtbaar was. Het was de eerste nieuwe ster (supernova) die zichtbaar was met het blote oog sinds 134 voor Chr. en was veel helderder dan Venus. Omdat de supernova gezien werd vanuit diverse locaties over heel Europa, ging Brahe er vanuit dat zij verder weg moest zijn dan de Maan. Dit was een revolutionaire gedachte omdat het Aristoteliaanse begrip zei dat de ruimte voorbij de Maan onveranderlijk was en er geen nieuwe sterren bij konden komen.

TERUG NAAR DE GEOCENTRISCHE WERELD
Ook in Tycho Brahe's voorstelling van het universum was de Aarde weer het centrum waaromheen de Zon en de Maan draaiden. Echter Mercurius, Venus, Mars, Jupiter en Saturnus draaiden om de Zon. Het universum van Tycho leek heel erg op dat van Hipparchus.
Toen Brahe stierf erfde Johannes Kepler al het materiaal van Brahe's observaties. Na het onderzoeken van al dit materiaal publiceerde Kepler in 1609 zijn "Astronomia Nova". Hierin en in zijn werk "Harmonices Mundi" presenteerde Kepler zijn interpretatie van het heliocentrische systeem van Copernicus als ook zijn beroemde wetten. In het systeem van Kepler bewegen de planeten om de Zon volgens ellipsen met de Zon in ťťn van de brandpunten. Met dit model was Kepler in staat om de theorie van de epicikels te weerleggen en van het idee af te stappen dat hemelbewegingen volgens perfecte cirkels verloopt.
Anders dan Aristoteles ging Kepler er vanuit dat berekeningen zo nauwkeurig mogelijk overeen moeten komen met de waarnemingen als dat de waarnemingen gedaan kunnen worden. Kepler bracht het empirisme in het astronomische onderzoek.
Volgens Kepler waren de afstanden van de planeten tot de Zon zodanig dat er vijf polyhedrons geplaatst konden worden tussen de bekende planeten van zijn tijd.
Kepler's kosmologie bevatte elementen van de middeleeuwse Christelijke voorstellingen van het heelal en de Pythagoreese-Platonische numerologie. Bijvoorbeeld, de snelheden van de planeten waren in relatie met de integrale nummers van de muziek en terwijl ze om de Zon bewogen, speelden ze hun eigen harmonieuze muziek.

GALILEI EN DE UITVINDING VAN DE TELESCOOP
De Italiaanse natuurhistoricus, filosoof en pionier van de empirische wetenschap Galileo Galilei bouwde zijn eerste telescoop in 1609 volgens een nieuw ontwerp uit Holland.
Met zijn telescoop ontdekte Galilei de vier grootste manen van Jupiter welke hij beschreef in zijn boek "Sidereus Nuncius".
Ook bekeek hij de schijngestalten van Mercurius en Venus en ontdekte hij zonnevlekken. Door de beweging van deze vlekken te volgen kon hij afleiden dat de Zon in 27 dagen om haar as draaide.
Op basis van zijn waarnemingen steunde Galilei het heliocentrische stelsel van Copernicus in zijn boek "Dialogo" uit 1632.
Galilei moest op 69-jarige leeftijd voor de Inquisitie verschijnen en moest hij zijn heliocentrische leringen intrekken. Bovendien stond hij de rest van zijn leven onder huisarrest. "Dialogo" werd verboden en uitgevers werd verboden om iets te drukken dat geschreven was door Galilei. Er word gezegd dat hij bij de rechtszaak heeft gezegd "Eppur si muove" (En toch beweegt zij).
De "Dialogo" is vertaald naar het Latijn buiten ItaliŽ en geleerden door geheel Europa kregen de kans het te lezen. Op deze manier kreeg het heliocentrische systeem een stevige voet aan de grond.
De Italiaans-Franse astronoom en directeur van het Parijse observatorium, Giovanni Domenico Cassini, was de eerste die de afstand tot de Zon met een redelijke nauwkeurigheid (7%) heeft berekend. Hij volbracht dit door eerst de parallax van Mars te definiŽren. Als gevolg van Cassini's berekeningen, werd de grootte van de Zon en het zonnestelsel bijna 10 keer groter. Volgens zijn berekeningen was de afstand tot de Zon in feite 20000 keer de radius van de Aarde en niet 1200 keer zoals men eerst dacht. De grootte van het zonnestelsel groeide met dezelfde schaal.
Cassini ontdekte onder andere vier manen van Saturnus en het gat tussen de ringen van Saturnus. Later werd dit de Cassini-scheiding genoemd. Cassini was de eerste die de rotatieduur van Mars berekende met grote nauwkeurigheid (24h 40m).

GRAVITATIE EN HET ONEINDIGE UNIVERSUM
De gravitatiewet van de Engelse natuurkundige Isaac Newton was de definitieve oplossing voor het probleem van de bewegingen van de planeten. Omdat Newton geen parallax van de sterren kon waarnemen concludeerde hij dat ze enorm ver weg moesten staan. Maar als ze zover weg stonden, dan konden ze niet het licht van de Zon weerkaatsen en moesten ze dus zelf licht uitstralen zoals onze Zon.
Newton was professor in de wiskunde aan de universiteit van Cambridge. In 1687 publiceerde hij zijn belangrijkste werk, "Principia", waarin hij de wet van de zwaartekracht en de hemelmechanica presenteerde. Dit werkte zo perfect dat het niet werd aangevochten tot in de 20ste eeuw door Einstein.

ONTDEKKING VAN NIEUWE PLANETEN
William Herschel, een in Duitsland geboren astronoom die in Engeland woonde, was de eerste waarnemer die zich concentreerde op objecten buiten ons zonnestelsel. In het zonnestelsel ontdekte hij in 1781 een nieuwe planeet, Uranus, die hij eerst aanzag voor een komeet. Later werd bevestigd dat het om een planeet ging en het zonnestelsel werd twee keer zo groot.
Dit was de eerste ontdekking van een planeet sinds klassieke tijden. Herschel kreeg ook een idee van het universum met behulp van de meeste krachtige telescoop van zijn tijd welke hij zelf had gebouwd.
Behalve astronoom was Herschel ook componist en een begaafd bouwer van telescopen.
62 jaar na de ontdekking van Uranus werd een nieuwe planeet gevonden door de afwijkingen in de baan van Uranus. De nieuwe planeet werd Neptunus genoemd en het zonnestelsel werd weer groter.
De grootste prestatie van Albert Einstein was de algemene relativiteitstheorie (1915) en de voorafgaande speciale relativiteitstheorie (1905). Deze theorieŽn vervingen de gravitatiewet van Newton en zijn de basis van het moderne beeld van ruimtetijd. In Einstein's kosmologische model zorgde kosmische afstoting voor een gravitationele balans over grote afstanden en zo werd voorkomen dat het universum zou uitdijen of ineenkrimpen.
Einstein begreep dat behalve ruimte ook gravitatie de tijd kan beÔnvloeden.

UITDIJEND UNIVERSUM In 1917 publiceerde de Nederlandse natuurkundige Willem de Sitter zijn De Sitter Universum. Volgens dit model zet het universum, dat geen materie of straling bevat, voortdurend uit. De Sitter berekende dat de straal van het heelal 2 miljard lichtjaar moest zijn. Dit was de eerste theorie die het heelal als uitdijend beschreef.
In 1922 vulde Alexander Friedmann een nul in voor de kosmologische constante in Einstein's relativiteitstheorie. Hierdoor werd een uitdijend of ineenkrimpend universum mogelijk.

DE OERKNAL THEORIE IS GEBOREN
In 1924 stelde de Katholieke priester Georges Lemaitre dat het heelal was begonnen als een klein oeratoom welk explodeerde en begon uit te zetten in afnemende snelheid totdat de uitdijing zou stoppen. Om daarna met hogere snelheid door te gaan. Het model van Lemaitre leidde tot het idee van de oerknal.
In 1923 nam de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble waar dat Andromeda een sterrenstelsel was en geen verre ster in onze Melkweg. Met de ontdekkingen van Hubble verloor de Melkweg zijn positie in het universum als centraal sterrenstelsel en de positie van de Zon werd weer bescheidener.
De expansie van het universum werd bevestigd in 1929 toen Hubble waarnam dat verre objecten zich van ons verwijderen. Dit bewees het model dat in 1922 was voorgesteld door Alexander Friedmann, welke zei dat het universum ofwel uitdijde ofwel ineenkromp, maar dat het geen constante grootte had.
In de tijd van Hubble was het lange tijd een onderwerp van verhitte discussies of de Melkweg met een paar verre sterren het gehele universum besloeg. Hubble's waarnemingen bewezen dat de Melkweg slechts ťťn van de vele sterrenstelsels was net zoals Andromeda. In 1940 kon de in Duitsland geboren astronoom en medewerker van Hubble Walter Baade bewijzen dat het Andromeda stelsel twee keer zover weg stond als eerst werd gedacht. De afstanden tot de sterrenstelsels werden groter en werden meer nauwkeurig.

STERRENSTELSEL GROEPEN
Sterrenstelsels vormen groepen waarin er enkele tientallen voorkomen. De groep waartoe onze Melkweg behoort heet de Lokale Groep. Andere sterrenstelsels die bij de Lokale Groep horen zijn het Andromeda stelsel (M31), M33 in het sterrenbeeld Driehoek en 30 kleinere sterrenstelsels.
Groepen met tientallen, soms honderden, sterrenstelsels worden clusters van sterrenstelsels genoemd. Wij bevinden ons aan de rand van het Lokale Supercluster waarvan de Virgo cluster het centrum vormt. Het centrum is 50 miljoen lichtjaar verwijderd en de diameter is 100 miljoen lichtjaar.
Er zijn ook superclusters die duizenden sterrenstelsels bevatten. Wij zijn onderdeel van de Lokale Supercluster. Er wordt geschat dat er minstens 100 miljard sterrenstelsels zijn in het heelal. Ze zijn als stofjes gegroepeerd langs de rand van zeepbellen met ertussen voornamelijk lege ruimte. De diameter van zo'n kosmische 'zeepbel' kan zo'n 150 miljoen lichtjaar zijn en er zijn miljoenen 'zeepbellen'.
Het echte model van het universum kan nog niet met zekerheid worden gegeven. Het huidige idee van het universum is dat het begon vanuit de oerknal ongeveer 12 miljard jaar geleden, waarna het uitdijde in de leegheid. (Er zijn twee alternatieven voor de expansie: een gesloten universum of een open universum, de laatste is de populairste.)
In beide gevallen zijn er misschien meer dan een miljard sterrenstelsels en in elk sterrenstelsel zijn er miljarden sterren waarvan sommige ongeveer zijn als de Zon. Hoe meer we weten van onze centrale ster, hoe meer we begrijpen van de structuur van het universum.


Versie 1.2.2 - © 2001-2005 Peter van der Wijst.