Specials

Het uitdijende heelal: van de Oerknal tot Vandaag

Het heelal werd geboren met de Oerknal als een onvoorstelbaar hete, dichte punt. Toen het heelal slechts 10-34 van een seconde of zo oud was, dat wil zeggen een honderdste van een miljardste van een biljoenste van een biljoenste van een seconde, beleefde het een ongelooflijke uitbarsting van expansie die bekend staat als inflatie waarin de ruimte zelf uitbreidde sneller dan de lichtsnelheid.

Het werk dat nodig is om het uitdijende heelal te begrijpen is afkomstig van een combinatie van theoretische fysica en directe waarnemingen door astronomen. In sommige gevallen hebben astronomen echter geen direct bewijs kunnen zien, zoals het geval van zwaartekrachtsgolven die verband houden met de kosmische microgolfachtergrondstraling, de overgebleven straling van de Oerknal. Een voorlopige aankondiging over het vinden van deze golven in 2014 werd snel ingetrokken nadat astronomen ontdekten dat het gedetecteerde signaal kon worden verklaard door stof in de Melkweg.

Volgens NASA ging de groei van het heelal na de inflatie door, maar dan wel in een langzamer tempo. Toen de ruimte uitdijde koelde het heelal af en ontstond er materie. Een seconde na de Oerknal was het heelal gevuld met neutronen, protonen, elektronen, anti-elektronen, fotonen en neutrino’s.

Tijdens de eerste drie minuten van het heelal werden de lichte elementen gemaakt tijdens een proces dat bekend staat als de oerknal-nucleosynthese. De temperaturen daalden van 100 quintiljoen (1032) Kelvin tot 1 miljard (109) Kelvin en protonen en neutronen botsten om deuterium te maken. Deuterium is een isotoop van waterstof. Het grootste deel van het deuterium werd weer gebruikt om helium mee te maken. Ook ontstonden er sporen van lithium.

De eerste ± 380.000 jaar van zijn bestaan was het heelal in wezen te heet om licht te laten schijnen. De hitte van de schepping verpletterde atomen met  voldoende kracht om ze op te breken tot een dicht plasma, een ondoorzichtige soep van protonen, neutronen en elektronen die licht als een mist verstrooiden.

Ongeveer 380.000 jaar na de Oerknal koelde de materie voldoende af om atomen te maken tijdens het tijdperk dat recombinatie wordt genoemd. Dit resulteerde volgens NASA in een transparant, elektrisch neutraal gas. Dit leidde tot de eerste lichtflits die tijdens de Oerknal werd gecreëerd en die tegenwoordig detecteerbaar is als de kosmische microgolfachtergrondstraling. Na dit moment werd het heelal echter in duisternis gedompeld, aangezien er nog geen sterren of andere heldere objecten waren gemaakt.

Ongeveer 400 miljoen jaar na de Oerknal begon het heelal uit de kosmische donkere middeleeuwen te tevoorschijn te komen tijdens het tijdperk van de reïonisatie. Gedurende deze tijd, die meer dan een half miljard jaar duurde, stortten gasmassa’s voldoende in elkaar om de eerste sterren en sterrenstelsels te maken waarvan het energetische ultraviolette licht het grootste deel van de neutrale waterstof ioniseerde en vernietigde.

Hoewel de uitdijing van het heelal geleidelijk vertraagde toen de materie in het heelal via de zwaartekracht aan zichzelf trok, begon volgens NASA ongeveer 5 of 6 miljard jaar na de Oerknal een mysterieuze kracht die nu donkere energie wordt genoemd, opnieuw de uitdijing van het heelal te versnellen. Dit fenomeen duurt vandaag de dag nog voort.

Ongeveer 9 miljard jaar na de Oerknal ontstond ons zonnestelsel.

De Oerknal

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.

De Oerknal vond niet plaats als een explosie zoals wij denken dat een explosie moet plaatsvinden, ondanks dat de naam dit wel suggereert. Het heelal dijde niet uit in de ruimte omdat de ruimte nog niet bestond vóór het heelal er was. In plaats daarvan is het beter om de Oerknal te zien als het gelijktijdig verschijnen van de ruimte overal in het heelal. Het heelal is sinds de Oerknal vanaf geen enkele plek meer geëxpandeerd, de ruimte zelf is uitgerekt en heeft materie met zich meegenomen.

Aangezien het heelal per definitie de hele ruimte en tijd omvat zoals wij die kennen ligt het buiten het model van de Oerknal om te zeggen waar het heelal in uitdijt of wat aanleiding gaf tot de Oerknal. Hoewel er modellen zijn die speculeren over deze vragen heeft geen van hen tot nu toe realistisch toetsbare voorspellingen gedaan.

In 2014 kondigden wetenschappers aan dat ze een zwak signaal hadden gevonden in de kosmische microgolfachtergrondstraling dat het eerste directe bewijs kon zijn van zwaartekrachtsgolven, die zelf beschouwd worden als een direct bewijs voor de Oerknal. De bevindingen werden fel bediscussieerd en astronomen trokken hun resultaten al snel in toen ze zich realiseerden dat stof in de Melkweg hun bevindingen kon verklaren.

Hoe oud is het heelal?

De leeftijd van het heelal wordt momenteel geschat op ongeveer 13,8 miljard jaar ± 130 miljoen jaar, ter vergelijking: het zonnestelsel is slechts ongeveer 4,6 miljard jaar oud.

Deze schatting kwam door het meten van de samenstelling van materie en energiedichtheid in het heelal. Hierdoor konden onderzoekers berekenen hoe snel het heelal in het verleden uitdijde. Met die kennis konden ze de klok terugdraaien en extrapoleren tot het moment dat de Oerknal plaatsvond, de tijd tussen toen en nu is de leeftijd van het heelal.

De structuur van het heelal

Wetenschappers denken dat er in de vroegste momenten van het heelal geen structuur was om van te spreken, met materie en energie die bijna uniform over het heelal waren verdeeld. Volgens NASA leidde de aantrekkingskracht van kleine fluctuaties in de dichtheid van materie destijds tot de enorme webachtige structuur van sterren en leegtes die we tegenwoordig zien. Dichte gebieden trokken door zwaartekracht steeds meer materie naar zich toe en hoe massiever ze werden des te meer materie ze door middel van de zwaartekracht naar binnen konden trekken. Hierdoor werden sterren, sterrenstelsels en grotere structuren gevormd die bekend staan als clusters, superclusters, filamenten en muren. Er zijn grote muren van duizenden sterrenstelsels met een lengte van meer dan een miljard lichtjaar. Minder dichte regio’s groeiden niet en evolueerden naar een schijnbaar lege ruimte die “leegtes” worden genoemd.

De inhoud van het heelal

Tot een paar decennia geleden dachten astronomen dat het heelal bijna volledig uit gewone atomen oftewel “baryonische materie” bestond. De laatste tijd is er echter steeds meer bewijs dat suggereert dat de meeste ingrediënten waaruit het heelal bestaat in vormen komen die we niet kunnen zien.

Het blijkt dat atomen slechts 4,6% van het heelal uitmaken. Van de rest bestaat 23% uit donkere materie, die waarschijnlijk is samengesteld uit een of meer soorten subatomaire deeltjes die zeer zwak interageren met gewone materie, en 72% bestaat uit donkere energie, die blijkbaar de stuwende kracht is achter de versnelde uitdijing van het heelal.

Als het gaat om de atomen waarmee we bekend zijn, maakt waterstof ongeveer 75% uit en helium ongeveer 25%. De zwaardere elementen maken slechts een klein deel uit van de atomen in het heelal.

Welke vorm heeft het heelal?

De vorm van het heelal en of het al dan niet eindig of oneindig in omvang is hangt af van de strijd tussen de snelheid van de uitdijing en de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. De sterkte van de betreffende aantrekkingskracht hangt mede af van de dichtheid van de materie in het heelal.

Als de dichtheid van het heelal een bepaalde kritische waarde overschrijft is het heelal “gesloten” en “positief gekromd” zoals het oppervlak van een bol. Dit betekent dat lichtstralen die aanvankelijk evenwijdig zijn langzaam zullen convergeren, elkaar kruisen en terugkeren naar hun beginpunt als het heelal lang genoeg duurt. Als dat zo is, is het heelal niet oneindig maar heeft het geen einde, net zoals een gebied op het oppervlak van een bol niet oneindig is maar om zo te zeggen geen begin of einde heeft. Het heelal zal uiteindelijk stoppen met uitdijen en op zichzelf beginnen in te storten, de zogenaamde “Grote Krimp”.

Als de dichtheid van het heelal kleiner is dan deze kritische dichtheid dan is de geometrie van de ruimte “open” en “negatief gekromd” zoals het oppervlak van een zadel. Als dat zo is dan heeft het heelal geen grenzen en zal het voor altijd uitdijen.

Als de dichtheid van het heelal exact gelijk is aan de kritische dichtheid dan is de geometrie van het heelal “plat” zonder kromming zoals een vel papier. Als dat zo is dan heeft het heelal geen grenzen en zal het voor altijd uitdijen maar de uitdijingssnelheid zal na een oneindige tijd geleidelijk nul naderen. Recente metingen suggereren dat het heelal plat is met een foutmarge van slechts 0,4%.

Het is mogelijk dat het heelal een meer gecompliceerde vorm heeft terwijl het een andere kromming lijkt te hebben. Het heelal kan bijvoorbeeld de vorm hebben van een torus of donut.

Het uitdijende heelal

In de jaren ’20 van de vorige eeuw ontdekte de astronoom Edwin Hubble dat het heelal niet statisch was. Het was eerder aan het uitbreiden; een vondst die onthulde dat het heelal blijkbaar in een Oerknal was ontstaan.

Daarna werd lang gedacht dat de zwaartekracht van de materie in het heelal de uitdijing  van het heelal zeker zou vertragen. Toen, in 1998, onthulden de waarnemingen van zeer verre supernova’s door de Hubble Space Telescope dat het heelal lang geleden langzamer uitdijde dan nu het geval is. Met andere woorden, de uitdijing van het heelal vertraagt niet door de zwaartekracht maar versnelt op onverklaarbare wijze. De naam voor de onbekende kracht die deze versnellende uitdijing aandrijft is donkere energie en het blijft een van de grootste mysteries in de wetenschap.

Eerste publicatie: 6 april 2014
Volledige revisie: 29 april 2022