Wat is kosmologie?

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

Kosmologie is een tak van de astronomie die zich bezig houdt met de oorsprong en de evolutie van het heelal startende met de Oerknal, het heden en de toekomst. Volgens de NASA is kosmologie de wetenschappelijke studie van structuren op grote schaal in het heelal als geheel.

Kosmologen zijn bezig met exotische concepten als de snaartheorie, donkere materie en donkere energie en of er één heelal is of dat er sprake is van een multiverse, dus meerdere universa. Andere takken van de astronomie ouden zich bezig met individuele objecten en fenomenen of met verzamelingen van objecten maar kosmologie omspant het hele heelal van geboorte tot dood.

Geschiedenis van de kosmologie en astronomie

Onze kennis over het heelal is in de loop van de tijd enorm toegenomen. In de begindagen van de astronomie werd de Aarde beschouwd als het centrum van alles waar planeten en sterren om heen draaien. In de 16- de eeuw stelde de Poolse astronoom Nicolas Copernicus dat de Aarde en de andere planeten van ons zonnestelsel in feit om de Zon draaien waarmee hij een aardverschuiving in onze kennis over de kosmos teweeg bracht. Aan het einde van de 17-de eeuw berekende de Engelse natuurkundige Sir Isaac Newton hoe krijgen tussen planeten – en dan in het bijzonder de zwaartekrachten – op elkaar reageren.

Aan het begin van de 20-ste eeuw ontstonden nieuwe inzichten over het begrijpen van ons enorme heelal. Albert Einstein publiceerde zijn Algemene Relativiteitstheorie over de unificatie van ruimte en tijd. Wetenschappers discussieerden of de Melkweg het hele heelal omvatte of dat het alleen maat een van de vele verzamelingen van sterren was. Edwin Hubble berekende de afstand tot een wollig nevelachtig object en bepaalde dat het zich buiten ons melkwegstelsel moest bevinden waarmee hij bewees dat ons eigen sterrenstelsel er eentje van velen is in het enorme heelal. Met de Algemene Relativiteitstheorie als basis bepaalde Hubble de afstand tot andere sterrenstelsels en hij zag dat ze zich allemaal van ons af bewogen. Hij concludeerde hieruit dar het heelal niet statisch was maar dat het uitdijt.

In de afgelopen tientallen jaren bepaalde de kosmoloog Stephen Hawking dat het heelal zelf niet oneindig is maar dat het een eindige grootte heeft. Een duidelijke grens echter ontbreekt. Dit is te vergelijken met de Aarde: onze planeet is eindig maar een persoon die rond de wereld reist zal nooit een einde vinden en constant in cirkels rond de wereld blijven reizen.

Kosmologische missies en instrumenten

in november 1989 lanceerde de NASA de Cosmic Background Explorer (COBE) die nauwkeurige metingen verrichtte van de straling in het heelal. De missie duurde tot 1993.

De Hubble Space Telescope is het bekendst geworden van zijn schitterende foto’s maar het belangrijkste doel van de telescoop is kosmologisch van aard. Door nauwkeuriger de afstand tot Cepheïde-veranderlijke sterren te bepalen (sterren met een goed gedefinieerde verhouding tussen hun helderheid en hun pulsaties), kon Hubble de metingen van de uitdijing van het heelal verfijnen. Sinds de lancering van de telescoop hebben astronomen die steeds gebruikt om kosmologische metingen te doen en bestaande metingen te verfijnen.

Tussen 2001 en 2010 was de Wilkinson Microwave Anisotrophy Probe (WMAP) van de NASA actief. De WMAP kon hele kleine fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling meten. De kosmische achtergrondstraling is het oeroude licht dat dat is overgebleven na de Oerknal. WMAP zag dat gewone atomen slechts 4,6% van het heelal zijn en dat 24% van de materie donkere materie is.

De slepende twijfel over het bestaan van donkere materie en de samenstelling van het heelal verdwenen toen de WMAP de meest nauwkeurige kaart van de kosmische achtergrondstraling presenteerde. Tussen 2009 en 2013 voerde de ESA de Planck-missie die ook zeer gedetailleerd de kosmische achtergrondstraling bestudeerde.

Op dit moment ontwikkelt de ESA de Euclid-missie die over een aantal jaren gelanceerd moet worden. Euclid gaat de donker materie en donkere energie met grote nauwkeurigheid bestuderen en richt zich vooral op de verdeling en de evolutie door het heelal.

Algemene kosmologische vragen

Wat was er voor de Oerknal?

Door de gesloten en eindige structuur van ons heelal kunnen we de buitenkant van ons heelal niet zien. Ruimte en tijd begonnen met de Oerknal. Er zijn verschillende speculaties over het bestaan van andere universa maar er zijn geen praktische methodes om ze te bestuderen en daarom zullen we nooit kunnen bewijzen dat ze bestaan (of niet bestaan).

Waar vond de oerknal plaats?

De Oerknal vond niet plaats op een bepaald punt maar het was het ontstaan van ruimte en tijd in het hele universum op hetzelfde moment.

Als alle sterrenstelsels zich van ons af bewegen is dat dan geen bewijs dat wij ons in het centrum bevinden?

Nee, als wij naar een ander ver sterrenstelsel zouden reizen dan zou het lijken alsof alle omringende sterrenstelsels zich van ons af bewegen. Beschouw het heelal als een grote ballon. Als je met een viltstift enkele stippen op die ballon zet en daarna de ballon opblaast dan zie je dat alle punten zich van elkaar af bewegen en dat geen enkel punt het centrum vormt. De uitdijing van het heelal is te vergelijken met het opblazen van de ballon.

Hoe oud is het heelal?

Uitgaande van gegevens die in 2013 zijn vrijgegeven en die zijn verzameld met behulp van de Planck-satelliet is het heelal ongeveer 13,8 miljard jaar oud. Planck heeft de leeftijd van het heelal bepaald door de kleine fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling te meten.

Zal het universum ooit ophouden te bestaan? En ja, hoe?

Of het heelal zal eindigen hangt af van de dichtheid van het heelal – hoe ver is materie verspreid. Wetenschappers hebben een “kritische dichtheid” berekend voor het heelal. Is de werkelijke dichtheid groter dan hun berekeningen dan zal de uitdijing van het heelal uiteindelijk vertragen en op een gegeven moment omkeren in een krimp. Als de werkelijke dichtheid echter kleiner is dan de kritische dichtheid dan zal het heelal voor altijd blijven uitdijen.

Wat was er eerst: sterren of de sterrenstelsels?

Het heelal van net na de Oerknal was gevuld met waterstof en slechts een heel klein beetje helium. Zwaartekracht zorgde er voor dat waterstof ineen begon te storten waardoor structuren werden gevormd. Echter astronomen meten niet of de eerste massieve bobbels sterren vormden die later als gevolg van de zwaartekracht werden samengetrokken of dat materie eerst is structuren ter grootte van sterrenstelsels samenkwam om daarna samen te trekken en sterren te vormen.

 

Eerste publicatie: 14 januari 2018
Bron: space.com, NASA, Vraag het de Astrofysicus (NASA)