Kuinka suuri avaruus on?

Heelal doet wedstrijd met het licht

Het grootste deel van het heelal zullen we nooit te zien krijgen omdat het sneller van ons vandaan gaat van het licht. Maar astronomen denken te weten hoe groot het is en hoe het eruitziet.

Shutterstock/Zakharchuk

Laten we een blokje om gaan in het heelal!

Zo luidde op 26 april 1920 de uitnodiging aan het publiek van het Smithsonian National Museum of Natural History in Washington D.C.

Twee astronomen gaven een lezing, en op basis van het programma kon niemand voorspellen dat het tot een hevige botsing zou komen.

Deze astronomen waren Harlow Shapley en Heber Curtis en het discussieonderwerp was de grootte van het heelal.

Maar tussen hun opvattingen zat letterlijk een hemelsbreed verschil.

Shapley was van mening dat de Melkweg het hele universum was en dat de ‘spiraalwolken’ die aan de hemel te zien waren, slechts nieuwe zonnestelsels in ontwikkeling waren.

Voor Shapley was het dan ook duidelijk dat de diameter van het heelal zo’n 300.000 lichtjaar bedroeg.

Curtis zag de spiraalwolken echter als zelfstandige sterrenstelsels die zich stukken verder weg bevonden dan de sterren in de Melkweg, en dacht dat het heelal verder reikte dan ons stelsel – dat een diameter van 30.000 lichtjaar zou hebben.

  • Heber Curtis, astronomi

    "Het is een duizelig makende gedachte dat ons sterrenstelsel er misschien maar één van de honderdduizenden is."

    Astronoom heber curtis (1872-1942) toen het begin 20e eeuw onduidelijk was of de Melkweg het gehele universum was of niet.

Het congres in het museum, nu ‘The Great Debate’ genoemd, zou legendarisch worden omdat het laat zien hoe gemakkelijk wetenschappers ernaast zitten wanneer ze zich over de grens begeven van wat de wetenschap kan meten en waarnemen.

Shapley kwam het dichtst in de buurt van de grootte van de Melkweg – die nu is vastgesteld op 100.000 tot 150.000 lichtjaar in doorsnee –, maar had het bij het verkeerde eind wat betreft andere stelsels.

Voor Curtis was het andersom. Hij onderschatte de grootte van de Melkweg maar hij had gelijk dat spiraalwolken zelfstandige sterrenstelsels zijn.

Het idee dat de Melkweg één van vele sterrenstelsels is, was even controversieel als gewaagd, en Curtis was de eerste om het toe te geven.

‘Het is zeker een duizelig makende gedachte dat ons sterrenstelsel misschien maar één van de honderdduizenden soortgelijke universa is,’ zei hij.

Het lijkt misschien wonderlijk dat het nog maar 100 jaar geleden ter discussie stond of de Melkweg het hele heelal was of niet, en het toont aan welke ontwikkeling de kosmologie sindsdien heeft doorgemaakt.

Maar de twee astronomen zijn geëxcuseerd – de kosmologen worstelen nu nog steeds met het meten van afstanden in het heelal, want dat is nu eenmaal ontzettend lastig.

Twee telescopen kijken verder

Edwin Hubble observeerde in de jaren 1920 met de baanbrekende Hookertelescoop dat het heelal na de Melkweg nog miljoenen lichtjaren verdergaat.

Sindsdien heeft de telescoop die naar hem genoemd is, ons uitzicht met miljarden lichtjaren verlengd.

Lähigalaksi, Andromeda

100 jaar terug: Er is één sterrenstelsel

Spiraalnevels als Andromeda werden 100 jaar geleden beschouwd als verschijnsel binnen onze Melkweg.

Edwin Hubble mat de afstand ertoe en zag dat ze veel verder weg waren en losstonden van de Melkweg – die dus maar één van de vele sterrenstelsels is.

Kaukainen galaksi

Heden: Er zijn 100 miljard sterrenstelsels

De ruimtetelescoop Hubble heeft laten zien dat er zeker 100 miljard sterrenstelsels in het heelal zijn – misschien zelfs het dubbele.

De verste zijn op de foto te zien als rode stipjes. Het licht dat we ervan ontvangen, werd circa 13 miljard jaar geleden uitgestraald.

Heelal is altijd ondergewaardeerd

Het heelal is door de geschiedenis van de astronomie heen enorm gegroeid. Met name de afstand tot verre objecten is altijd onderschat.

De Romeins-Egyptische wiskundige en astronoom Ptolemaeus (circa 100-170) beoordeelde de nabije afstanden, zoals tot de maan, heel behoorlijk ten opzichte van de diameter van de aarde.

Zo berekende hij dat de afstand tot de maan 29,5 keer de diameter van de aarde was – zeer dicht bij de huidige metingen van 30,2 maal de diameter van de aarde.

Lastiger was het met de zon: hij schatte de afstand op 1/20 van de werkelijke waarde. En met de sterren aan de hemel sloeg hij de plank flink mis: hij nam aan dat ze circa 10.000 keer de aardse diameter ver waren.

Maar de dichtstbijzijnde ster, Alpha Centauri, is al 6.455.555.555 aardediameters ver.

Bovendien onderschatte Ptolemaeus de diameter van de aarde, waardoor zijn hele heelal tot de sterren aan toe gemakkelijk paste in een gebied dat beschreven wordt door de baan van de aarde om de zon.

Preciezere metingen kwamen in de 16e en 17e eeuw met astronomen als Tycho Brahe, Copernicus en Kepler, maar lange afstanden meten zat er nog niet in.

De enige methode die ze hadden, was de parallaxberekening: je trekt met een half jaar tussentijd twee gezichtslijnen naar een ster.

Daarna bereken je de afstand tot de ster vanuit de hoek tussen de gezichtslijnen en de diameter van de baan van de aarde rond de zon.

Voor die methode zijn echter nauwkeuriger instrumenten nodig dan Brahe en Kepler hadden, dus zelfs de afstand tot nabije sterren in de Melkweg konden ze niet berekenen.

Daarom valt het te begrijpen dat de astronomen zich destijds geen enkele voorstelling konden maken van iets wat verder weg was dan de sterren aan de nachtelijke hemel.

Dat kon Newton ook niet toen hij in 1687 zijn grote werk Philosophiae Naturalis Principia Mathematica uitgaf.

Niettemin veranderde hij onze kijk op het heelal door – geïnspireerd door zijn vallende appel – de zwaartekracht te benoemen tot heersende kracht van het universum.

Hij beweerde daarmee dat dezelfde regels gelden voor de beweging van alle hemellichamen en dat die allemaal in een uniforme ruimte bestaan. Het was een aanzet tot wat nu ‘het kosmologische principe’ wordt genoemd.

Astronomen schaffen centrum van heelal af

Stel je voor dat je op een reusachtige opgeblazen ballon staat. Je kunt langs het oppervlak alle kanten op kijken, en waar je blik ook heen dwaalt, het ziet er hetzelfde uit.

Dat is de essentie van het kosmologische principe, dat een eind maakt aan alle ideeën dat er iets bijzonders is aan onze eigen positie in het heelal. Het principe gaat uit van twee aannames.

De ene is dat het universum op een grote schaal homogeen is, dus waar je je ook bevindt, het heeft overal grofweg dezelfde eigenschappen. De andere aanname is dat het heelal isotroop is, wat wil zeggen dat het er naar alle kanten hetzelfde uitziet.

Het kosmologische principe brengt met zich mee dat het heelal – net als met het oppervlak van een ballon – geen centrum heeft, of omgekeerd kun je net zo goed zeggen dat juist alle plekken het centrum zijn.

Heelal wordt opgeblazen als een ballon

Volgens de kosmologen is het heelal op grote schaal homogeen en ziet het er naar alle kanten toe eender uit, waar we ons ook bevinden.

Die aanname, ‘het kosmologische principe’, brengt met zich mee dat het heelal geen centrum heeft. Het is als het oppervlak van een ballon.

De uitdijing van het heelal betekent dat sterrenstelsels steeds verder van elkaar weg trekken.

In welk stelsel we ons ook bevinden, we zullen zien dat alle andere stelsels van ons en van elkaar af bewegen, alsof ze op een ballon getekend zijn die geleidelijk opgeblazen wordt.

Waarnemingen en metingen van de kosmische achtergrondstraling geven aan dat ons zichtbare heelal plat is en daarmee deel uitmaakt van een oneindig universum.

Het kan zich echter ook iets krommen en maakt dan deel uit van een gigantisch gesloten – eindig – universum.

Net als Newton hing Einstein het kosmologische principe aan, maar zijn algemene relativiteitstheorie van 1915 bood de kosmologen toch een nieuwe manier om het heelal te bekijken.

Einstein verenigde de tijd met de drie dimensies van ruimte tot een vierdimensionale ruimtetijd, en met zijn vergelijkingen berekende hij hoe het heelal er op grote schaal uitziet.

Hij stuitte echter al snel op een probleem. Toen hij zijn vergelijkingen op het hele universum toepaste, kwam hij niet uit op het verwachte resultaat.

Het heelal zou al snel onder de zwaartekracht moeten bezwijken, en dat was duidelijk niet gebeurd – óf het heelal zou alsmaar moeten groeien, wat ook niet kon kloppen.

Op dat moment was het gangbare idee dat het universum statisch was en dat de omvang dus constant was.

Einstein loste dit probleem in 1917 op door in zijn vergelijkingen een constante te introduceren, die later bekend werd als de kosmologische constante – en die hij zelf later de blunder van zijn leven zou noemen.

Heelal groeit de spuigaten uit

Einsteins ‘grootste blunder’ werd ontdekt door een enorme telescoop die datzelfde jaar, in 1917, in gebruik genomen werd.

Met zijn spiegel van 2,5 meter doorsnee had deze Hookertelescoop op het Mount Wilson Observatory in Californië het scherpste zicht ooit, en Edwin Hubble zou daarmee onze kijk op het heelal compleet omgooien.

Hubble ging in 1919 bij het observatorium werken en met de telescoop kon hij de spiraalwolken bestuderen waarover Shapley en Curtis in 1920 ‘The Great Debate’ hielden.

Hubble zocht een bepaald type sterren in die wolken, zogeheten cepheïden.

Het bijzondere daaraan is dat ze in een bepaald ritme in lichtsterkte variëren en dat er een nauw verband is tussen het ritme van een ster en zijn lichtsterkte.

Door het ritme van de ster te observeren, kunnen astronomen dus berekenen hoeveel licht hij uitstraalt. Daarna is het vrij eenvoudig om uit te vogelen hoe ver de ster is, want ze weten hoeveel het licht met de afstand aan helderheid inboet.

  • Edwin Hubble, astronomi

    "De geschiedenis van de astronomie gaat over het opschuiven van horizonnen."

    Astronoom edwin hubble (1889-1953) in een bescheiden commentaar op zijn eigen baanbrekende ontdekking dat het heelal uitdijt.

Hubble vond cepheïden in verschillende spiraalwolken, waaronder Andromeda, en stelde in 1924 vast dat het echt vreemde sterrenstelsels waren die veel verder weg zijn dan de andere sterren aan de nachtelijke hemel.

Ondanks het baanbrekende inzicht dat de Melkweg maar een van de talloze stelsels in een enorm heelal is, beschouwde Hubble zijn ontdekking als slechts een hoofdstuk in een groter verhaal. ‘De geschiedenis van de astronomie gaat over het opschuiven van horizonnen,’ zei hij bescheiden.

Hij stopte hier ook niet met observeren, maar bleef verder kijken. Met de grote telescoop zoomde hij in op nog meer verre sterrenstelsels, en hij analyseerde het licht ervan.

Dat leidde tot een nieuwe doorbraak in 1929, die de astronomen nog meer verraste: Hubble ontdekte dat hoe verder weg een sterrenstelsel is, hoe roder zijn licht is. Dit verschijnsel, roodverschuiving genoemd, treedt op doordat de lichtgolven van een object worden uitgerekt als het van ons weg beweegt.

De roodverschuiving van het licht kon maar één ding betekenen: de sterrenstelsels trekken van ons en elkaar weg.

Hubble was meer een toegepast astronoom dan theoretische kosmoloog, dus onderschatte hij de reikwijdte van zijn ontdekking omdat hij die niet als een eigenschap van het hele heelal zag.

Maar anderen deden dat wel. Einstein besefte dat het heelal niet statisch is, zoals hij dacht, maar uitdijt. De kosmologische constante die hij 12 jaar eerder geïntroduceerd had in zijn vergelijkingen, was dus op slag achterhaald.

Terwijl Einstein zijn ‘blunder’ moest erkennen, kwam de doorbraak als een geschenk uit de vallen voor de Belgische priester en astronoom Georges Lemaître.

Slechts twee jaar eerder, in 1927, had Lemaître het idee gelanceerd van een heelal dat uitdijde – en dat dus niet altijd heeft bestaan.

Lemaître stelde zich voor dat het heelal ontstond uit de explosie van een ‘oeratoom’ en sindsdien is gegroeid.

Hubbles waarnemingen kwamen perfect overeen met Lemaîtres beeld van wijkende sterrenstelsels, net alsof ze op het oppervlak van een ballon zijn getekend die wordt opgeblazen. En als dat klopte, moest het dus ook mogelijk zijn om terug te rekenen naar een moment waarop het hele universum op één punt was verzameld.

In de decennia daarop werden Lemaîtres ideeën overgenomen door andere astronomen en evolueerden ze naar wat we nu kennen als het oerknalmodel.

Maar lang niet iedereen ondersteunde dit.

Heelal groeide schoksgewijs

Sinds de oerknal is het heelal in drie sprongen gegroeid. Na de ultrakorte periode met explosieve groei (inflatie) volgde een lange periode met stabiele groei en net zo’n lange tijd waarin de uitdijing versnelde.

  • Inflatie

    Fractie van een seconde.

  • Stabiele uitdijing

    Ca. 7 mrd jaar.

  • Versnellende uitdijing

    Ca. 7 mrd jaar.

De naam ‘big bang’ is zelfs bedacht door een van de grootste tegenstanders van de theorie, de Britse astronoom Fred Hoyle.

In 1949 gebruikte hij de term smalend in een radioprogramma, waarbij hij pleitte voor zijn eigen alternatieve theorie, de zogeheten steady state-theorie.

Volgens Hoyle dijt het heelal uit, maar op zo’n manier dat het toch niet verandert. Het idee is dat naarmate de uitdijing verdergaat, er steeds een beetje materie bij komt en de dichtheid van het heelal dus gelijk blijft.

De toevoer van nieuwe materie is nooit waargenomen, maar volgens de voorstanders van de theorie is er maar een piepklein beetje nodig om de dichtheid te handhaven.

Berekeningen tonen aan dat een hoeveelheid materie van één waterstofatoom per kubieke meter toereikend is voor 1 miljard jaar, en daarom is het niet zo vreemd dat we het nog nooit hebben zien gebeuren.

De steady state-theorie heeft het bijzondere uitgangspunt dat zij niet alleen voldoet aan het kosmologische principe, maar zelfs aan ‘het perfecte kosmologische principe’, omdat de continue creatie van materie ervoor zorgt dat het universum niet alleen in alle ruimtelijke richtingen homogeen is, maar ook door de tijd heen.

Volgens de steady state-theorie is het heelal oneindig qua tijd en ruimte, en dus werkt zij, anders dan het oerknalmodel, niet met een beginpunt van het heelal.

Halverwege de 20e eeuw stonden de twee theorieën lijnrecht tegenover elkaar, tot een toevallige ontdekking in 1964 de ene plotseling een enorme boost gaf.

Radioruis viert verjaardag van het heelal

Voor de twee radioastronomen Arno Penzias en Robert Wilson was de ruis van hun ‘luisterbuis’ nogal irritant.

De 15 meter lange hoornantenne in New Jersey was over van een oud satellietsysteem, en de twee astronomen wilden hem gebruiken om naar radiosignalen vanuit de ruimte te luisteren.

Maar wat ze ook deden, de metingen werden gestoord door een aanhoudende en indringende achtergrondruis. Penzias en Wilson richtten de antenne weg van New York om radiobronnen van de mensen daar te weren, maar de ruis hield aan.

Sterker nog, alle richtingen leverden hetzelfde resultaat op.

Toen ze de hoorn van de antenne eens goed nakeken, bleek die vol duiven- en vleermuizenpoep te zitten.

Misschien was dat de oorzaak van het probleem.

Ze verwijderden alle poep en een paar duivennesten op de koop toe, en met een hagelgeweer ook de duiven zelf. Nu was de antenne brandschoon – maar de ruis was er nog steeds.

Penzias en Wilson begrepen dat er met de antenne niets mis was.

Ze herinnerden zich dat natuurkundige Robert Dicke had voorspeld dat als het oerknalmodel juist was, er van alle kanten een zwakke, gelijkmatige straling zou zijn die voortkwam uit de geboorte van het heelal.

Ze namen contact op met Dicke en ze stelden met z’n drieën vast dat ze deze straling hadden gemeten.

Het jaar daarop, in 1965, publiceerden de radioastronomen en Dicke hun resultaten en hun interpretatie daarvan.

Einstein geeft het heelal vorm

De kosmische achtergrondstraling bevestigde het oerknalmodel, en ook het kosmologische principe dat het heelal op grote schaal zowel homogeen als isotroop is.

De straling is vrijwel geheel gelijkmatig, naar welke kant we hem ook meten, en zo zou het op elke plek in het heelal zijn.

De kosmische achtergrondstraling kwam vrij toen het heelal slechts 380.000 jaar oud was. In die tijd was het universum net voldoende uitgedijd en afgekoeld om elektronen en protonen samen te laten gaan tot atomen.

Dit betekende dat straling in de vorm van fotonen, die eerder werden gestopt door de vrije elektronen, nu vrij door het heelal kon bewegen.

De astronomen zeggen daarom wel dat het universum ‘transparant’ werd. De achtergrondstraling vormt dus ook de grens tot hoe ver het mogelijk is om in de tijd terug te kijken.

Met de ontdekking van de achtergrondstraling had het heelal plotseling een ontwikkelingsgeschiedenis. Het oerknalmodel kan vertellen wanneer het universum werd geboren en hoe het sinds die tijd is veranderd.

En alsof dat nog niet genoeg is, kan de achtergrondstraling ook onthullen welke vorm het heelal heeft.

Toen Einstein zijn algemene relativiteitstheorie uitgaf, gingen astronomen zijn vergelijkingen gebruiken om erachter te komen welke geometrie het heelal zou kunnen hebben.

Een van hen was de Rus Aleksandr Friedmann. Al in 1922 presenteerde hij modellen van het heelal zoals het eruitzag volgens de vergelijkingen van Einstein en het kosmologische principe.

Op zeer grote schaal moet het heelal zich overal op dezelfde manier krommen, waar we ons ook bevinden, en dat kan maar op drie manieren.

Het universum kan gesloten zijn, zoals het oppervlak van de ballon waar we het al over hadden. Een gesloten universum heeft een beperkte omvang.

Als we twee parallelle lichtstralen door een gesloten heelal sturen, ontmoeten ze elkaar op een gegeven moment, net zoals de lengtegraden op aarde op de polen bij elkaar komen.

De tweede mogelijkheid is dat het heelal zich op de tegenovergestelde manier kromt en opengaat als een zadel. In een open universum zullen de twee lichtstralen elkaar nooit ontmoeten, maar zich juist steeds verder van elkaar verwijderen. Het open heelal is onbeperkt, dat wil zeggen oneindig in alle richtingen.

De laatste oplossing ligt precies tussen de eerste twee in: het platte universum. Hierin zullen onze twee lichtstralen parallel blijven. Net als het open universum is het platte universum oneindig.

Het heelal neemt een vorm aan

De algemene relativiteitstheorie biedt drie manieren waarop het heelal zich kan krommen.

Ze leveren verschillende eigenschappen op en bepalen of het heelal eindig of oneindig is. Tot dusver duiden waarnemingen erop dat het heelal plat is.

  • Een gesloten universum

    Een gesloten universum heeft een positieve kromming en een beperkte omvang.

    Twee parallelle lichtstralen die worden verzonden, komen ooit bij elkaar en de hoeken van een driehoek zijn bij elkaar meer dan 180 graden.

  • Een plat universum

    Een plat universum heeft geen kromming en strekt zich oneindig ver uit.

    De parallelle lichtstralen komen nooit bijeen en de som van de hoeken van een driehoek is 180 graden, wat we van de tweedimensionale geometrie kennen.

  • Een open universum

    Een open universum heeft een negatieve kromming en strekt zich oneindig ver uit.

    De twee lichtstralen trekken over grote afstanden van elkaar weg, en de hoeken van een driehoek zijn bij elkaar minder dan 180 graden.

Sinds de ontdekking van de achtergrondstraling is deze meerdere keren in kaart gebracht.

De satellieten COBE, WMAP en Planck hebben steeds gedetailleerdere metingen van de straling opgeleverd en analyses duiden erop dat het heelal plat is – of althans zo goed als plat.

Voor de astronomen was de vorm van het universum van het grootste belang, want het is onlosmakelijk verbonden met de toekomst ervan.

De gesloten vorm betekent bijvoorbeeld dat de zwaartekracht uiteindelijk de uitdijing van het heelal zo zou tegenwerken dat het zich ooit zou samentrekken en eindigen met een grote instorting, de ‘big crunch’ of eindkrak geheten.

Maar dit idee veranderde radicaal aan het eind van het millennium, toen opnieuw een verbluffende ontdekking alles op z’n kop zette.

En ook deze keer kwam het doordat sommige astronomen een nieuwe schaal gebruikten, die verder het heelal in reikte dan tevoren.

Kaart van de kosmische achtergrondstraling

Kaart van de kosmische achtergrondstraling. De kosmische achtergrondstraling past bij het beeld van de oerknaltheorie van een heet, pas ontstaan heelal dat steeds meer is afgekoeld naarmate het uitdijde. De straling is van alle kanten heel gelijkmatig, en de kleine verschillen kregen een kans doordat het universum vlak na de oerknal extreem snel uitdijde.

© WMAP Science Team

Het heelal dijt versneld uit

Astronomen zijn gek op supernova’s, en vooral van het type Ia gaan hun ogen glanzen – ze blijven er met liefde de hele nacht voor op.

Dit type ontstaat namelijk op een heel bijzondere manier, met als gevolg dat zijn licht voor langeafstandsmetingen kan worden gebruikt.

Een Ia-supernova is afkomstig van een dubbelstersysteem, waarbij een van de sterren een witte dwerg is.

Als de twee sterren dicht om elkaar draaien, zuigt de witte dwerg geleidelijk materie van zijn partner aan, tot hij uiteindelijk een kritische massa heeft bereikt.

Dan explodeert hij als een supernova, en het licht ervan is zo krachtig dat het het licht van alle andere sterren in zijn stelsel overstraalt.

Omdat de astronomen de kritische massa kennen, weten ze wat de absolute lichtsterkte van de supernova is en kunnen ze ook de afstand tot de supernova berekenen, net zoals Hubble dat deed met de cepheïden.

Supernova’s zijn alleen veel krachtiger dan cepheïden en zijn daarom van veel verder weg te zien.

In 1998 gingen de Amerikaanse astrofysicus Saul Perlmutter en zijn collega’s in het Supernova Cosmology Project op zoek naar Ia-supernova’s in extreem verre stelsels.

Aan de hand van lichtmetingen berekenden ze de afstand ertoe. En net als Hubble keken ze hoeveel roodverschuiving er optrad, met andere woorden: hoe snel de sterrenstelsels van ons wegtrekken.

Het licht van de zeer verre sterrenstelsels doet er veel langer over om ons te bereiken dan het licht van nabijere sterrenstelsels.

Daarom is het licht ook ouder en kan het vertellen hoe snel het heelal miljarden jaren geleden uitdijde. En hier kwam de verrassing: de snelheid van de verre sterrenstelsels bleek stukken geringer dan die zou moeten zijn volgens het verband dat Hubble had gevonden.

  • Saul Perlmutter, astrofyysikko

    "Het was alsof we een appel in de lucht gooiden en hem in de ruimte zagen verdwijnen."

    Astrofysicus saul perlmutter, nadat hij en zijn collega’s de verbluffende ontdekking hadden gedaan dat de uitdijing van het heelal versnelt.

Daar kon maar één verklaring voor zijn: sterrenstelsels verwijderden zich miljarden jaren geleden langzamer van elkaar dan dat ze nu doen.

Dus de uitdijing van het heelal versnelt!

‘Het was alsof we een appel in de lucht gooiden en hem in de ruimte zagen verdwijnen,’ zei Saul Perlmutter later over de verbluffende ontdekking. En hij verwees uiteraard naar het verhaal van de appel die Newton het inzicht gaf in de aard van de zwaartekracht.

Hier was de uitslag alleen tegengesteld aan wat werd verwacht.

Tegelijk met Saul Perlmutters doorbraak kwam een ander onderzoeksteam onder leiding van Adam Riess tot hetzelfde resultaat, en in 2011 kregen Perlmutter en Riess beiden de Nobelprijs voor hun inspanningen.

Het inzicht dat de uitdijing van het heelal versnelt, toont aan dat er een kracht is die tegengesteld aan de zwaartekracht is. Als alleen de zwaartekracht in het spel was, zou de uitdijing niet versnellen, maar afnemen met de ouderdom van het heelal.

In ons eigen sterrenstelsel en zelfs in andere sterrenstelsels in de omgeving zien we niet het effect van zo’n tegengestelde kracht, want op deze afstanden is de zwaartekracht veel sterker.

Maar op grote kosmologische schaal speelt die onbekende kracht een cruciale rol: hij maakt zelfs 70 procent van de totale hoeveelheid materie en energie in het heelal uit.

In 1998 werd de onbekende kracht door kosmoloog Michael Turner uit de VS donkere energie genoemd, omdat hij geen enkele interactie heeft met elektromagnetische straling zoals licht.

En die naam is raak, want om het zachtjes uit te drukken hebben de onderzoekers geen idee waar die mysterieuze kracht uit bestaat.

Ruimte zit vol met donkere energie

Het merkwaardige aan donkere energie is dat er steeds meer bijkomt.

Naarmate de donkere energie het heelal verder ‘opblaast’, wordt de gemiddelde dichtheid van de materie steeds lager. Maar de dichtheid van donkere energie is constant, dus in een groeiend heelal neemt de hoeveelheid dienovereenkomstig toe.

Dit jaagt het hele proces aan: donkere energie zorgt voor uitdijing, die nieuwe donkere energie mogelijk maakt, die zorgt voor nog meer uitdijing enzovoort.

Al kennen wetenschappers de diepere aard van de donkere energie niet, ze kunnen zeker zijn van het effect en ze blijkt wiskundig zeer goed te harmoniëren met de kosmologische constante die Albert Einstein in 1917
introduceerde in zijn vergelijkingen. Het idee dat hij zelf als blunder beschouwde, was dus toch niet zo dom.

De kosmologische constante kan worden gezien als een maat voor wat ook wel de vacuümenergie genoemd wordt. Het is de minimale energie – de nulpuntsenergie – die aanwezig is in een perfect vacuüm in de ruimte.

Het probleem is echter dat er een enorm verschil is in de waarde die te berekenen valt en de waarde die past bij de waarnemingen. En dit geldt als een van de grootste onopgeloste mysteries van de wetenschap.

Toch wordt de oerknaltheorie nauwelijks betwijfeld. Allerlei andere waarnemingen komen er zo goed mee overeen dat ze tegenwoordig alom aanvaard wordt als model voor de geschiedenis van het heelal, en daarnaast geeft ze een beeld van de grootte van het universum.

Op basis van de roodverschuiving van het licht van de verste sterrenstelsels die we in het heelal kunnen zien, kunnen astronomen berekenen dat dit licht circa 13,8 miljard jaar oud is.

En het heelal heeft dus dezelfde leeftijd. Je zou denken dat deze sterrenstelsels dan 13,8 miljard lichtjaar van ons vandaan zouden zijn, maar dat is niet het geval.

Doordat het heelal uitdijde terwijl het licht van de stelsels op weg was naar ons, zijn ze nu veel verder weg dan toen ze het licht uitstraalden.

De verste sterrenstelsels waarvan we het licht kunnen zien, zijn zelfs 46,1 miljard lichtjaar van ons verwijderd. En dit geldt uiteraard in alle richtingen. Het ‘zichtbare heelal’ heeft dus een diameter van 92,2 miljard lichtjaar.

Maar hoe zit het met het ‘onzichtbare heelal’, dus het deel dat nog verder weg is en dat we niet kunnen zien? Wat dat betreft zijn de kosmologen minder stellig – maar sommigen doen er toch een gooi naar.

Het onzichtbare heelal kan oneindig zijn

In 2016 zou een team onderzoekers van de universiteit van Oxford de omvang van het onzichtbare heelal berekenen.

Ze verzamelden alle afstandsmetingen van relevante objecten die ze te pakken konden krijgen en lieten er een zeer ingewikkeld computermodel op los.

Daarna lieten ze de computer allerlei scenario’s doorrekenen. Zo berekende de computer onder andere de kans dat de afstandsmetingen overeenkwamen met verschillende krommingen van het heelal en wat dat zou betekenen voor de algehele geometrie van het heelal.

De computer kwam uit op een rond en bijna plat heelal.

Een volledig vlak universum zou betekenen dat de uitbreiding ervan oneindig is, als het kosmologische principe tenminste geldt. Dit zegt immers dat het heelal in alle richtingen hetzelfde is, en in een vlak heelal kan dat alleen kloppen als het oneindig is.

Maar we kunnen ons ook een onzichtbaar heelal voorstellen dat zo groot is dat ons zichtbare universum er maar een klein deel van is – zoals wanneer we een cirkeltje op het oppervlak van een gigantische ballon tekenen.

In dat geval zouden we ervaren dat ons zichtbare universum vrijwel vlak was, hoewel het dus eigenlijk iets gekromd zou zijn.

De voorzichtige interpretatie van de resultaten van de computer luidt dat het onzichtbare heelal minstens 251 keer zo groot is als het zichtbare heelal.

Dit levert een diameter op van 23.343 miljard lichtjaar, maar de onderzoekers benadrukken dat het best nog veel groter kan zijn – misschien zelfs oneindig groot.

Hoe groot het heelal ook is, we kunnen van één ding zeker zijn: het is nog altijd volop in de groei.

De laatste 7 miljard jaar heeft de donkere energie de zwaartekracht van het universum overtroffen, waardoor de uitdijing steeds sneller ging.

Deze ontwikkeling zal doorgaan. De donkere energie zal het heelal steeds meer domineren. De snelheid van uitdijing zal geleidelijk aan veel groter worden dan hij nu is, en de sterrenstelsels zullen dus nog veel sneller uit elkaar bewegen.

Het is belangrijk om te onthouden dat de snelheid waarmee een sterrenstelsel zich verwijdert, groter kan worden dan de lichtsnelheid, die geldt als de absolute snelheidslimiet in het heelal.

Dit komt omdat de afstand tot een sterrenstelsel niet groter wordt omdat dit stelsel zelf van ons weg beweegt, maar omdat de ruimte tussen ons en dat stelsel groter wordt.

De verste plaatsen in het zichtbare heelal – 46,1 miljard lichtjaar ver – vliegen nu tien keer zo snel van ons vandaan als de snelheid van het licht: een gevolg van de uitdijing van het heelal. Het licht dat ooit in de toekomst uit deze gebieden op ons af zou moeten komen, zal ons daarom nooit bereiken.

Zo zal het ook gaan met stelsels die zich dichter bij ons bevinden.

Ooit zullen ze zo snel wegvliegen dat we hun licht niet meer zien, en in de verre toekomst zal het helemaal niet meer mogelijk zijn om andere stelsels waar te nemen dan het onze.

We kunnen ons daarom gelukkig prijzen dat we leven in een tijdperk waarin we een spannend uitzicht hebben op elliptische stelsels, merkwaardige spiraalstelsels, quasars en nog veel meer exotische astronomische verschijnselen.

Als we in een later tijdperk zouden leven, zou alles wat we konden observeren in ons eigen stelsel liggen, en dan zouden we concluderen dat de Melkweg het hele heelal uitmaakte – net zoals astronomen 100 jaar geleden dachten.

Teleskoopit

Onze horizonnen in het heelal worden beperkt door de lichtsnelheid

De grenzen van ons uitzicht worden bepaald door een samenspel van de lichtsnelheid en de snelheid waarmee het heelal uitdijt.

Hubblen horisontti

De hubblehorizon

14,5 miljard lichtjaar van ons vandaan ligt de zogeheten hubblehorizon: de grens tussen sterrenstelsels die sneller dan het licht van ons wegtrekken en stelsels die trager dan het licht gaan.

Het licht dat de laatste nu uitzenden, kunnen we in de toekomst zien.

Näkyvä kaikkeus

Het zichtbare heelal

Ons zichtbare heelal strekt zich naar alle kanten 46,1 miljard lichtjaar uit.

Het licht van de verste objecten in die zone werd bijna 13,8 miljard jaar terug uitgezonden. Het licht dat de objecten nu uitzenden, zullen we nooit zien.

Het onzichtbare heelal

Het licht van objecten die verder weg zijn dan 46,1 miljard lichtjaar, heeft ons nog niet bereikt.

En het licht dat nu vanuit die omgeving vertrekt, zal nooit bij ons in de buurt komen.

Lees ook:

mercuriusovergang
Mercurius

Zeldzame planeetovergang is binnenkort te zien vanuit Nederland en België

4 minuten
Heelal

Is de oerknal te zien?

1 minuut
Multivers
Heelal

Raadsel van het heelal: Wat is er buiten het heelal?

2 minuten

Log in

Fout: Ongeldig e-mailadres
Wachtwoord vereist
ToonVerberg

Al abonnee? Heb je al een abonnement op ons tijdschrift? Klik hier

Nieuwe gebruiker? Krijg nu toegang!