Begrippen - definities

Hoe groot is het heelal?

Oerknal - de uitdijing van het heelal
De tijdlijn van het heelal gebaseerd op de oerknal en inflatietheorieën. Credit: NASA/WMAP

Hoe groot is het heelal om ons heen? Hetgeen we kunnen zien geeft ons een antwoord maar het is vermoedelijk veel groter dan dat.

Hoe groot is het heelal? Het is een van de fundamentele vragen van de astronomie. Door te zoeken naar het verste waarneembare punt (en gezien de lichtsnelheid ook het oudste) kunnen we een diameter schatten.

Dankzij evoluerende techniek kunnen astronomen terugkijken in de tijd naar momenten net na de Oerknal. Dit lijkt misschien te impliceren dat het hele heelal binnen ons gezichtsveld ligt. Maar de grootte van het heelal hangt van een aantal dingen af, waaronder vorm en uitdijing.

Als gevolg hiervan kunnen wetenschappers, hoewel we schattingen maken van de grootte van het heelal, er geen cijfer op plakken.

Het waarneembare heelal

In 2013 bracht Planck ruimtesonde van de ESA de meest nauwkeurige en gedetailleerde kaart uit die ooit van het oudste licht van het heelal is gemaakt. Deze kaart onthulde dat het heelal 13,8 miljard jaar oud is. Planck berekende de leeftijd door de kosmische achtergrondstraling te bestuderen.

De kosmische achtergrondstraling is als een reiziger van ver weg en lang geleden. Als het aankomt vertelt het astronomen over de hele geschiedenis van het heelal.

Vanwege het verband tussen afstand en de snelheid van het licht betekent dit dat wetenschappers kunnen kijken naar een gebied in de ruimte dat op 13,8 miljard lichtjaar afstand ligt. Als een schip in de lege oceaan kunnen astronomen op Aarde hun telescopen draaien om 13,8 miljard lichtjaar in elke richting te kijken waardoor de Aarde zich dus in een waarneembare bol met een straal van 13,8 miljard lichtjaar bevindt. Het woord “waarneembaar” is hier een sleutelwoord; de bol beperkt wat wetenschappers kunnen zien, maar niet wat er is.

Maar hoewel de bol bijna 28 miljard lichtjaar in diameter is, lijkt hij veel groter. Wetenschappers weten dat het heelal uitdijt. Dus hoewel wetenschappers een plek zouden kunnen zien die op 13,8 miljard lichtjaar van de Aarde lag ten tijde van de Oerknal is het heelal tijdens zijn leven blijven uitdijen. Als inflatie plaatsvond met een constante snelheid gedurende het bestaan van het heelal dan is diezelfde plek vandaag 46 lichtjaar van ons verwijderd. Hierdoor is de diameter van het waarneembare heelal een bol van ongeveer 92 miljard lichtjaar.

Deze schattingen worden verder bemoeilijkt door de mogelijkheid dat het heelal niet gelijkmatig uitdijt. ESA rapporteerde in een studie in 2020 aan de hand van gegevens van de XMM-Newton ruimtetelescoop, de Chandra Space Telescope en de Rosat ruimtetelescoop dat het heelal mogelijk niet in alle richtingen met dezelfde snelheid uitdijt. De studie bepaalde de röntgentemperaturen van honderden clusters van sterrenstelsels en vergeleek die met hun helderheid. Sommige clusters leken minder helder dan verwacht en dat suggereert dat ze niet in dezelfde snelheid bewegen. Dit mogelijk ongelijkmatige effect op de kosmische uitdijing kan worden veroorzaakt door de mysterieuze donkere energie, aldus ESA.

Het centreren van een bol op de plek van de Aarde in de ruimte lijkt ons in het centrum van het heelal te plaatsen. Maar net als datzelfde schip in de oceaan kunnen we niet zeggen waar we liggen in de enorme spanwijdte van het heelal. Alleen omdat we geen land kunnen zien wil nog niet zeggen dat we ons in het midden van de oceaan bevinden; alleen omdat we de rand van het heelal niet kunnen zien betekent dit niet dat we in het centrum van het heelal wonen.

Het heelal de maat nemen

Wetenschappers hebben verschillende manieren om de grootte van het heelal te meten. Ze kunnen de golven meten van het vroege heelal, bekend als baryonische akoestische oscillaties, die de kosmische achtergrondstraling vullen. Ze kunnen ook zogenoemde standaardkaarsen gebruiken, zoals type 1a supernova’s, om afstanden te meten. Deze verschillende methodes voor het meten van afstanden kunnen echter antwoorden bieden.

Hoe de inflatie verandert is ook een raadsel. Terwijl de schatting van 92 miljard lichtjaar voortkomt uit het idee van een constante uitdijing denken veel wetenschappers dat de snelheid vertraagt. Als het heelal tijdens uitdijing met de lichtsnelheid zou uitdijen zou het 1023 lichtjaar moeten zijn. Een verklaring hiervoor, in 2019 geschetst door NASA, is dat gebeurtenissen met donkere energie mogelijk de uitdijing van het heelal hebben beïnvloed in de momenten na de Oerknal.

In plaats van één meetmethode te gebruiken deed een team wetenschappers een statistische analyse van alle resultaten. Door Bayesiaanse modelgemiddelden te gebruiken, die zich richten op hoe waarschijnlijk het is dat een model uitgaande van de gegevens correct is, in plaats van te vragen hoe goed het model zelf bij de gegevens past. Ze ontdekten dat het heelal minstens 250 keer groter is dan het waarneembare heelal, oftewel minstens 7 biljoen lichtjaar in doorsnede.

Dat is heel erg groot maar in feite eigenlijk strenger beperkt dan veel andere modellen.

De vorm van het heelal

De grootte van het heelal is sterk afhankelijk van zijn vorm. Wetenschappers hebben de mogelijkheid voorspeld dat het heelal gesloten zou kunnen zijn als een bol, oneindig en negatief gekromd als een zadel, of plat en oneindig.

Een eindig heelal heeft een eindige grootte die kan worden gemeten; dit zou het geval zijn in een gesloten bolvormig heelal. Maar een oneindig heelal heeft per definitie geen grootte.

Volgens NASA weten wetenschappers dat het heelal plat is, met een foutenmarge van slechts ongeveer 0,4%. En dat zou ons begrip van hoe groot het heelal is kunnen veranderen.

Dit suggereert dat het heelal oneindig groot is, maar aangezien het heelal een eindige leeftijd heeft, kunnen we slechts een eindig volume van het heelal waarnemen. Het enige dat we echt kunnen concluderen is dat het heelal veel groter is dan het volume dat we direct kunnen waarnemen.

Het bepalen van de vorm van het heelal brengt nog meer uitdagingen met zich mee en dat heeft te maken met onze beperkte waarnemingsmiddelen. Als een spiegelzaal zou het schijnbaar eindeloze heelal ons voor de gek kunnen houden. Het heelal zou in feite eindig kunnen zijn. De illusie van oneindigheid zou tot stand komen als licht zich helemaal om de ruimte wikkelt, misschien meer dan eens, waardoor meerdere beelden ontstaan van elk sterrenstelsel.

Eerste publicatie: 25 december 2013
Volledige revisie: 28 januari 2022