Redenering Logos instituut

1. Sterrenstelsels winden zich zelf te snel op

De sterren in ons eigen sterrenstelsel, de melkweg, draaien rond het centrum van de melkweg met verschillende snelheden. De binnenste draaien sneller dan de buitenste. De waargenomen rotatiesnelheden in ons melkwegstelsel zijn zo hoog dat als het sterrenstelsel meer dan een paar honderd miljoen jaar oud zou zijn, er een kenmerkloze schijf van sterren over zou zijn in plaats van de huidige spiraalvorm.

Maar ons melkwegstelsel wordt beschouwd als minstens 10 miljard jaar oud. Evolutionisten noemen dit het ‘winding-up’ dilemma. Dit probleem is al meer dan vijftig jaar bekend. Er zijn veel theorieën bedacht om dit fenomeen te verklaren, maar elk van die theorieën bleek te falen, na een korte tijd populair te zijn geweest. Hetzelfde ‘winding-up’ dilemma geldt ook voor andere sterrenstelsels.

In een poging het dilemma op te lossen, werd in de afgelopen decennia meestal gewezen naar de complexe theorie van de dichtheidsgolven. De theorie kent een aantal conceptuele problemen, moet arbitrair en heel nauwkeurig worden afgestemd. Recent is de theorie sterk in twijfel getrokken, met name door de ontdekking (via de Hubble ruimtetelescoop) van de zeer gedetailleerde spiraalstructuren in het centrale draaipunt van het zogenaamde ‘draaikolk sterrenstelsel’ M51.

Weerlegging

Oordeel: de winding-redenering begint met een juiste natuurkundige observatie, maar trekt daaruit een onjuiste conclusie. Als spiraalarmen vaste slierten van steeds dezelfde sterren en gas waren, zou differentiele rotatie ze geleidelijk strakker opwinden. Maar een zichtbare spiraalarm hoeft geen materiele arm te zijn die al die tijd uit dezelfde deeltjes bestaat. De klassieke winding-redenering verwart de beweging van materie met de levensduur van een patroon.

Materie beweegt door het patroon

In een schijf draaien binnenste omloopbanen sneller dan buitenste: de rotatiesnelheid hangt af van de afstand tot het centrum [8]. Een spiraalarm kan echter een dichtheidsverhoging zijn die met een eigen patroonsnelheid door de schijf beweegt. Sterren en gas bewegen dan doorgaans door de arm heen, zoals auto’s door een verkeersopstopping rijden; de opstopping blijft herkenbaar zonder dat dezelfde auto’s erin blijven. Een dichtheidsgolfmodel beschrijft precies zo’n patroon waar sterren en gas doorheen bewegen [8]. Daarom hoeft een arm gedurende miljarden jaren niet uit exact hetzelfde materiaal te bestaan.

Meerdere fysische mechanismen, geen enkele verplichte verklaring

Een voorgestelde verklaring is de quasi-stationaire dichtheidsgolftheorie. Swing amplification is een ander relevant proces: de combinatie van afschuiving door rotatie, epicyclische sterbewegingen en de zelfzwaartekracht van de schijf kan een kleine verstoring versterken [5][105.5]. Het is een versterkingsmechanisme, niet noodzakelijk op zichzelf een volledige verklaring van waar iedere verstoring begint. N-body-simulaties laten daarnaast dynamische, terugkerende spiraalarmen zien; staven en getijdeninteracties zijn eveneens erkende routes naar spiraalstructuur [5][105.7][105.8]. Welke combinatie domineert, kan per sterrenstelsel verschillen.

Waarnemingen en simulaties sinds de klassieke discussie maken het beeld rijker, niet uitzichtlozer. Een analyse van Gaia-waarnemingen laat zien dat patronen in de snelheidsverdeling van sterren kunnen worden nagebootst door een tijdelijke, opwindende spiraalverstoring, zoals die vaak in schijfsimulaties voorkomt [6][68.2][68.3]. Een overzicht beschrijft ook dat terugkerende, tijdelijke armen in modellen relatief gemakkelijk ontstaan; zulke modellen kunnen een spiraalstructuur gedurende lange perioden onderhouden zonder dat elke arm uit blijvend dezelfde sterren bestaat[16.2]. Dat laat discussie over patroonlevensduur en de relatieve rol van verschillende mechanismen bestaan, maar is geen bewijs dat de verklaringen zijn mislukt of willekeurig zijn gefinetuned.

M51: een getijdengeval, geen weerlegging

M51, de Draaikolknevel, heeft opvallend duidelijke armen en een nabije begeleider, NGC 5195. NASA beschrijft de mogelijke rol van de begeleider en haar getijdenwerking op de armen [2][51.1]. Numerieke modellen van de interactie reproduceren belangrijke kenmerken van M51, waaronder armkinken en vertakkingen, en vinden dat de getijdeninteractie spiraalarmen in zowel sterren als gas kan opwekken [9][50.5]. Een recentere modelsimulatie schrijft de twee hoofdarmen toe aan een eerste passage van NGC 5195 en de sterke knikken aan een volgende passage [3][96.8]. Dat zijn modelresultaten, geen bewijs dat elk detail of elke passagegeschiedenis definitief vaststaat.

Juist daarom weerlegt M51 het argument niet: een getijdeninteractie kan een uitgesproken patroon vormen of versterken, en de structuur kan veranderen terwijl materie erdoorheen beweegt. Onderzoek naar sterclusters in M51 vindt clusters van verschillende leeftijden bij de armen en bespreekt dat spiraalstructuur in simulaties honderden miljoenen jaren kan aanhouden [10][97.3]. Een indrukwekkende arm is dus geen stopwatch die de leeftijd van het heelal meet.

Onafhankelijke ouderdomsbepalingen

De kosmische achtergrondstraling gemeten door Planck levert een ouderdom van ongeveer 13,82 miljard jaar voor het heelal [1]. Onafhankelijke sterdatering ondersteunt eveneens een zeer oud sterrenstelsel: Gaia-onderzoek dateert het begin van de vorming van de dikke schijf van de Melkweg op ongeveer 13 miljard jaar geleden [7]. Een analyse van bolvormige sterrenhopen vindt voor de oudste clusters een gemiddelde leeftijd van 13,13 miljard jaar, met expliciet vermelde statistische en modelmatige onzekerheden, en gebruikt die als grotendeels onafhankelijke kosmische klok [12][120.1]. Hubble-waarnemingen van oude witte dwergen geven bovendien leeftijden van 12 tot 13 miljard jaar [4][76.1].

Kortom: differentiele rotatie zou een blijvende materiele arm opwinden; zij bewijst niet dat elk spiraalpatroon materieel, onveranderlijk of even oud als de schijf moet zijn. De precieze levensduur en oorsprong van spiraalarmen zijn nog onderwerp van onderzoek. Die wetenschappelijke nuance is geen steun voor een jonge aarde en verandert niets aan de onafhankelijke aanwijzingen dat de Melkweg en het heelal miljarden jaren oud zijn.

Referenties

1. esa.int esa.int
2. Messier 51 (The Whirlpool Galaxy) – NASA Science science.nasa.gov
3. arxiv.org arxiv.org
4. Hubble Uncovers Oldest “Clocks” in Space to Read Age of Universe – NASA Science science.nasa.gov
5. Dawes Review 4: Spiral Structures in Disc Galaxies – Clare Dobbs & Junichi Baba ned.ipac.caltech.edu
6. 1806.02832 Transient spiral structure and the disc velocity substructure in Gaia DR2 arxiv.org
7. ESA – Gaia finds parts of the Milky Way much older than expected esa.int
   20. Internal evolution in galaxies: Section 3 (Dynamics and Astrophysics of Galaxies) galaxiesbook.org
8. arxiv.org arxiv.org
9. iopscience.iop.org iopscience.iop.org
10. Dawes Review 4: Spiral Structures in Disc Galaxies – Clare Dobbs & Junichi Baba ned.ipac.caltech.edu
11. Inferring the Age of the Universe with Globular Clusters arxiv.org
12. The oldest Milky Way stars: New constraints on the age of the Universe and the Hubble constant arxiv.org