Het uitdijende heelal: van de Oerknal tot Vandaag

Met de Oerknal werd het heelal als een onvoorstelbare hete en compacte punt geboren. Toen het heelal net 10-34 ste seconde oud was (dat is een honderdste van een miljardste van een triljoenste van een triljoenste seconde) vond er een geweldige uitdijing plaats die we inflatie noemen. Tijdens deze inflatie dijde het heelal sneller dan het licht uit. Het verdubbelde in die fractie van een seconde meer dan 90 maal in grootte. Van subatomaire grootte naar de grootte van een golfbal.

Na deze inflatie groeide het heelal verder maar met een langzamere snelheid. Bij het uitdijen van de ruimte koelde het heelal af en begon materie zich te vormen. Eén seconde na de Oerknal was het heelal gevuld met neutronen, protonen, elektronen, anti-elektronen, fotonen en neutrino’s.

De lichtste elementen ontstonden gedurende de eerste drie minuten tijdens een proces dat Oerknal nucleosynthese wordt genoemd. De temperatuur koelde af van 1032 Kelvin tot 109 Kelvin. Protonen en neutronen botsten met elkaar om deuterium te vormen (deuterium is een isotoop van waterstof). De meeste deuterium werd omgezet naar helium maar er ontstonden ook sporen lithium.

Gedurende de eerste 380.000 jaar was het heelal te heet om licht te laten schijnen. De hitte die bij het ontstaan was vrijgekomen knalde atomen tegen elkaar die zo uit elkaar vielen in een compact plasma, een egale soep van protonen, neutronen en elektronen die licht verstrooiden als een soort van mist.

 

NGC6397 in Ara - Altaar

De bolhoop NGC 6397 in het sterrenbeeld ARA – Altaar. Met een geschatte leeftijd van 13,5 miljard jaar is het één van de oudste onderdelen van ons sterrenstelsel. De bolhoop bevat ongeveer 400.000 sterren en bevindt zich op een afstand van 7200 lichtjaar.(Credit: ESO)

Ongeveer 380.000 jaar na de Oerknal was de materie zo ver afgekoeld dat atomen zich konden gaan vormen. Dit leidde uiteindelijk in een helder, elektrisch neutraal gas. Hieruit ontstond de eerste lichtflits na de Oerknal die tot de dag van vandaag zichtbaar is als de kosmische microgolf achtergrondstraling. Echter na deze lichtflits werd het heelal weer in duisternis gehuld omdat er zich nog geen sterren of andere objecten gevormd hadden.

Na een periode van ongeveer 400 miljoen jaar van duisternis begon het tijdperk van de re-ionisatie. Gedurende deze periode, die meer dan een half miljard jaar duurde, klonterden gaswolken voldoende bij elkaar om de eerste sterren en sterrenstelsels te vormen. De hoog-energetische ultra-violette straling die ze uitzonden ioniseerde en vernietigde het meeste van het neutrale waterstof.

Ongeveer 5 tot 6 miljard jaar na de Oerknal begon materie onder zijn eigen zwaartekracht samen te klonteren en ofschoon de uitdijing van het heelal geleidelijk aan afremde begon een mysterieuze kracht, die we nu donkere energie noemen, de uitdijing van het heelal weer te versnellen.Dit fenomeen vindt nog steeds plaats.

Ongeveer 9 miljard jaar na de Oerknal ontstond ons zonnestelsel.

De Oerknal

De Oerknal vond niet plaats als een explosie in de betekenis die wij toekennen aan een explosie ofschoon de naam dit wel doet vermoeden. Het heelal is niet uit gedijt tot de ruimte omdat de ruimte niet bestond voor het ontstaan van het heelal. Je moet je proberen voor te stellen dat overal gelijktijdig ruimte ontstond. Het heelal is na de Oerknal vanuit één centraal punt uit gedijt maar de ruimte zelf dijde uit en nam de materie met zich mee.

Per definitie omvat het heelal alle ruimte en tijd zoals wij die kennen dus past het niet in het model om te zeggen waar het heelal in uitdijt en wat de oorzaak is van de Oerknal. Uiteraard zijn er modellen die deze vragen proberen te beantwoorden maar tot op heden is ons dat bij lange na niet gelukt.

Leeftijd

De huidige leeftijd van het heelal wordt geschat op ongeveer 13,7 miljard jaar met een foutmarge van ± 130 miljoen jaar. Ons zonnestelsel is pas ± 4,6 miljard jaar oud.

De leeftijdsschatting kan worden gedaan door het bepalen van de samenstelling van materie en energie dichtheid in het heelal. Deze metingen hielpen wetenschappers om een vergelijking op te stellen hoe snel het heelal vroeger uitdijde. Met die kennis konden ze de klok terugzetten en extrapoleren wanneer de Oerknal heeft plaatsgevonden. De tijd tussen toen en nu is de leeftijd van het heelal.

Structuur

Wetenschappers denken dat er in het hele jonge heelal geen structuur aanwezig was. Dat wil zeggen dat materie en energie uniform waren verdeeld. Kleine fluctuaties in de dichtheid van de materie leidde tot een zwaartekrachtswerking die uiteindelijk leidde tot de webachtige structuur van sterren en leegte die we vandaag de dag waarnemen.

Compacte gebieden trokken ten gevolge van de zwaartekracht meer en meer materie aan. Hoe zwaarder ze werden hoe meer materie ze aan konden trekken om uiteindelijk de vorming van sterren, sterrenstelsels en grotere structuren als clusters en superclusters mogelijk te maken. Minder compacte gebieden groeiden niet, zij evolueerden tot lege ruimte.

Inhoud

Tot 30 jaar geleden dachten astronomen dat het heelal nagenoeg volledig was samengesteld uit ordinaire atomen oftewel baryonische materie. Echter, recent onderzoek duidt er op dat de meeste ingrediënten waar het heelal uit bestaat zijn voortgekomen uit vormen die we niet kunnen zien.

Naar nu blijkt vormen alle atomen slechts 4,6 % van alle materie in het heelal. Van het restant wordt 23% gevormd door donkere materie die vermoedelijk uit subatomaire deeltjes bestaat die heel zwakjes reageert met de normale materie. De rest, 72%, is donkere energie. Het is deze donkere energie die de drijvende kracht is achter de versnelde uitdijing van het heelal. De atomen kennen we. Ongeveer 75% is waterstof, helium is ongeveer 25% en er komen sporen van zwaardere elementen voor.

Vorm

De vorm van het heelal en of het eindig of oneindig is hangt af van de snelheid van de uitdijing en de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. De sterkte van de aantrekkingskracht van de zwaartekracht is afhankelijk van de dichtheid van de materie in het heelal.

Als de dichtheid van het heelal een specifieke kritische waarde overschrijdt dan hebben we een gesloten en positief gekromd heelal, vergelijkbaar met de oppervlakte van een bol. Dit betekent dat lichtstralen die in eerste instantie parallel lopen langzaam zullen convergeren en elkaar mogelijk zullen snijden en terugkeren naar hun oorsprong als het heelal oud genoeg kan worden. Het heelal is dan niet oneindig maar heeft geen einde. Net zoals de oppervlakte van een bol niet oneindig is maar geen begin- of eindpunt kent. Het heelal zal uiteindelijk stoppen met uitdijen en beginnen met ineenstorten.

Als de dichtheid van het heelal lager is dan deze kritische waarde dan heeft het heelal een open structuur en is het negatief gekromd net zoals het oppervlak van een zadel. Als dit zo is dan kent het heelal geen grenzen en zal het voor altijd uit blijven dijen.

Als de dichtheid van het heelal gelijk is aan deze kritische waarde dan heeft het heelal een vlakke structuur zonder krommingen zoals een vel papier. Een dergelijk heelal heeft geen grenzen en zal altijd blijven uitdijen maar de snelheid van de uitdijing zal naar nul naderen na een onbepaalde tijd. Recente waarnemingen suggereren dat het heelal vlak is. De foutenmarge in deze metingen bedraagt slechts 2%.

Het is mogelijk dat het heelal een veel gecompliceerdere vorm heeft met een heel andere vorm van kromming. Het heelal zou bijvoorbeeld de vorm van een donut of een torus kunnen hebben.

Het uitdijende heelal

In de jaren 20 van de vorige eeuw ontdekte de Amerikaanse astronoom Edwin P. Hubble dat het heelal niet statisch was. Hij ontdekte dat het heelal uitdijde. Het heelal was schijnbaar ontstaan uit een oerknal.

Men heeft heel lang gedacht dat de zwaartekracht van de materie de uitdijing van het heelal afremde. Maar in 1998 ontdekte men uit waarnemingen van de Hubble Space telescope van verre supernova’s, dat het heelal vroeger langzamer uitdijde dan tegenwoordig. Met ander woorden, de uitdijing van het heelal werd niet afgeremd door de zwaartekracht. In tegenstelling zelfs, de uitdijing van het heelal wordt onverklaarbaar versneld. De naam voor de onbekende kracht die er voor zorgt dat de uitdijing versneld is donkere energie. Donkere energie is één van de grootste mysteries van de wetenschap.

 

Eerste publicatie: 6 april 2014
Laatste keer gewijzigd op: 16 oktober 2016