Alles over de oerknal

Voor de oerknal was er helemaal niets. Geen materie, geen energie, geen ruimte en geen tijd. Het heelal bestond gewoon niet. Materie, energie, ruimte en tijd ontstonden bij de oerknal, dus bij het ontstaan van het heelal.

Wat is het effect van een mogelijke oerknal geweest?

Het heelal ontstond ongeveer 15 miljard jaar geleden in een explosie die door astronomen de oerknal wordt genoemd. Direct na deze explosie ontstond het heelal uit een ongelofelijk kleine, dichte en hete opeenhoping van energie. Aanvankelijk bestond het heelal bijna helemaal uit energie en was de temperatuur hoger dan 10 miljoen graden. Het heelal was gevuld met energie in de vorm van fotonen (kleine ‘pakketjes’ straling of stralingsdeeltjes). Maar in een miljoenste deel van een seconde veranderde bijna alle energie in materie. Met materie worden alle stoffen bedoeld (vaste stoffen, vloeibare stoffen en gassen). Het heelal breidde zich snel uit en koelde tegelijkertijd af. Dit proces is nu nog steeds bezig.

Toen het heelal uitdijde na de ongelofelijk krachtige explosie van de oerknal en de materie alle kanten uitvloog, ging de zwaartekracht een rol spelen. Het heelal wordt beheerst door zwaartekracht. De zwaartekracht trekt alle hemellichamen (een natuurlijk object dat zich in het heelal bevindt en vaak zichtbaar is aan de hemel) naar elkaar toe. Elke materie is onder de invloed van zwaartekracht. Objecten met de meeste massa, dat wil zeggen met het meeste materiaal erin, trekken het sterkst. De zwaartekracht brengt materie naar elkaar toe. Toen het heelal pas een miljoen jaar oud was, begon materie in de vorm van de gassen waterstof en helium om elkaar heen te draaien. Deze verschijnselen noemen we proto - melkwegstelsels. Die vormden het allereerste begin van het ontstaan van melkwegstelsels. Kleine gaslopen in de stelsels werden sterren. Protostelsels leken op grote sterrenhopen of kleine melkwegstelsels. Ze vormden zich meestal in groepen en zo konden melkwegstelsels ontstaan. Door de zwaartekracht versmolten de proto – melkwegstelsels. Hierdoor ontstonden eerst kleine, vreemd gevormde melkwegstelsels. Later versmolten proto – stelsels tot grote elliptische – en spiraalstelsels. Bovendien bleven en blijven in veel stelsels nieuwe sterren ontstaan. Die stelsels versmelten en veranderen nog altijd. Ook nu ontstaan in onze Melkweg nog nieuwe sterren, terwijl een klein stelsel ermee gaat versmelten.

Het ontstaan van de materie

Onder bepaalde omstandigheden kunnen fotonen die veel energie bevatten veranderen in materiedeeltjes. Dit gebeurde in de vroegste stadia van het heelal. De meeste deeltjes veranderen daarna weer in straling, maar de deeltjes die overbleven vormden de atoomdeeltjes die het heelal vormden zoals we het nu kennen. Alle subatomische deeltjes (protonen, neutronen en elektronen) waren al gevormd toen het heelal pas tien seconden oud was. Direct na het ontstaan begon het heelal uit te dijen en af te koelen. Na ongeveer drie minuten was de temperatuur gezakt naar 1.000 miljoen graden. De protonen en de neutronen begonnen zich samen te voegen en vormden de kernen van atomen, zoals bijvoorbeeld helium. Het heelal bestond toen uit de straling en materie in de vorm van protonen, heliumkernen en elektronen. Na enkele duizenden jaren was de temperatuur gezakt tot ongeveer 3.000 graden Celsius. De protonen waren toen in staat om elektronen te ‘vangen’ en vast te houden. De protonen werden waterstofatomen en de heliumkernen werden heliumatomen. Omdat er minder deeltjes waren en het heelal zich steeds verder uitbreidde, kon de straling enorme afstanden afleggen zonder te worden geabsorbeerd of af te buigen. Bovendien was het heelal doorzichtig geworden.

Achtergrondstraling

Straling verplaatst zich nog steeds sinds die tijd. Terwijl het heelal uitdijde, heeft ook de straling zich over steeds grotere gebieden in de ruimte uitgebreid. Astronomen hebben berekend dat deze straling de ruimte nu een temperatuur zou geven van ongeveer 270 graden Celsius of 3 kelvin, dat wil zeggen drie graden boven het abosolute nulpunt. In 1965 ontdekten twee Amerikaanse wetenschappers dat de ruimte inderdaad was gevuld met straling van die temperatuur. Dit waren Arno Penzias en Robert Wilson. Hun ontdekking van wat ook wel de vuurbolstraling wordt genoemd, verschafte overtuigend bewijs voor de juistheid van de oerknaltheorie. Het ontstaan en het begin van de groei van het heelal kwamen dus door de oerknal. Sindsdien breidt het zich almaar uit. Maar wat zal er in de toekomst mee gebeuren? Is het een open universum dat steeds verder zal uitdijen? Of is het een gesloten heelal dat op een zekere dag zal ophouden te groeien en misschien zelfs zal krimpen? Dit antwoord hangt af van de vraag hoeveel materie zich in het heelal bevindt. Als er genoeg van is, dan zal de zwaartekracht de sterrenstelsels ooit beheersen en het heelal van verdere uitdijing afhouden. Is er niet genoeg materie, dan dijt het heelal eeuwig verder uit. Om de uitdijing te stoppen is er zeker niet genoeg zichtbare materie, maar misschien is er wel genoeg onzichtbare of donkere materie.

Kritieken op de oerknaltheorie

Heeft het heelal altijd bestaan? Of werd het ooit ‘geboren’? Dat laatste zal het overgrote deel van de sterrenkundigen anno 2009 zeggen, al duurde het het grootste deel van de 20e eeuw voordat ze het daarover eens waren. Het huidige idee in een notendop: zo’ n 15 miljard jaar geleden vond de oerknal of Big Bang plaats. Hierbij ontstond ons universum, dat aanvankelijk enorm heet was en een onvoorstelbaar hoge dichtheid had. Sindsdien koelt het af en dijt het uit: sterrenstelsels komen steeds verder van elkaar vandaan te liggen. Aan het bovenstaande scenario twijfelt inmiddels bijna niemand meer. Maar daarmee is de hele oerknaltheorie nog niet in kannen en kruiken. Bepaalde punten in de vroegste geschiedenis van ons heelal wachten nog steeds op een goede onderbouwing. Daarnaast zijn er recente waarnemingen die tot nadenken stemmen. Zo lijken details in de kosmische achtergrondstraling die 380.000 jaar na de oerknal werd uitgezonden in strijd te zijn met de populairste versie van de theorie. Ook zitten astronomen met het element lithium in hun maag. De hoeveelheden die we van deze stof waarnemen in het heelal, kloppen namelijk niet met de theorie. Zijn dat nu foute waarnemingen, die over een tijdje wel weer ontkracht zullen worden? Of moet de theorie op de schop en hebben we – bijvoorbeeld – nog nooit waargenomen deeltjes nodig om het plaatje weer compleet te krijgen? Sommige kosmologen gaan zelfs nog een stapje verder. Zij denken aan een universum dat altijd heeft bestaan en alleen om de zoveel tijd ‘gereset’ wordt. Oftewel: er was wel een soort van oerknal, miljoenen jaren geleden, maar daarvoor was er ook al een heelal. Hoe serieus moeten we dat soort ideeën?

Samenklonterende quarks

Laten we eerst maar eens door de reguliere oerknaltheorie heen lopen. Daarbij stuiten we meteen al op een onbevredigend punt: het moment waarop het heelal daadwerkelijk ontstond, is nog in mysteriën gehuld. Zoals de Amerikaanse natuurkundige Alan Guth het omschrijft: “We hebben het dan wel over de oerknaltheorie, maar eigenlijk is dat geen theorie van de knal zelf. Ze beschrijft op een elegante manier wat er na de oerknal gebeurde: hoe het heelal uitdijde en afkoelde, en hoe daarna de materie samenklonterde om sterrenstelsels en sterren te vormen. Maar de theorie vertelt ons niet wat er knalde, wat de oorzaak daarvan was en wat voor die knal gebeurde”.

Vlak na de oerknal komen we in een fase terecht waarover we iets meer denken te weten: die van de kosmische inflatie. In een fractie van een seconde dijt het heelal uit met minstens een factor van een 1 met 60 nullen. Deze stap bedacht Guth in 1980 om een aantal grote kosmologische problemen op te lossen. “Er is gen fundamenteel, fysisch bewijs voor de kosmische inflatie”, zegt astronoom Rien van de Weijgaert (Rijksuniversiteit Groningen) hierover. “Maar de gevolgen ervan zijn zozeer in overeenstemming met de waarnemingen, dat er haast geen twijfel over mogelijk is dat zo’n fase inderdaad heeft plaatsgevonden.” Na de inflatieperiode bestaat het heelal uit deeltjes die quarks en gluonen genoemd worden. Quarks zijn normaal gesproken de bouwstenen van protonen, neutronen en andere ‘zware’ deeltjes, terwijl de gluonen fungeren als de ‘lijm’ die deze quarks bij elkaar houdt. Maar vlak na de oerknal is het heelal daar nog te heet voor: de quarks en gluonen zwemmen los rond, in een zogenoemd quark-gluon-plasma. Deeltjes als elektronen, die niet uit quarks zijn opgebouwd, bestaan in deze fase overigens ook al. Een miljoenste seconde na de oerknal komen we bij de volgende mijlpaal in de geschiedenis van ons heelal. Nu is de temperatuur laag genoeg geworden om quarks en gluonen te laten samenklonteren tot protonen en neutronen. Daarnaast zijn er ook antiquarks, die antiprotonen en antineutronen vormen, maar dat zijn er ietsje minder. Waarom dat zo is, is nog niet helemaal duidelijk. Maar we mogen er blij om zijn, want als een deeltje en een antideeltje elkaar ontmoeten, verdwijnen ze allebei. Dus als er precies evenveel deeltjes als antideeltjes in het vroege heelal waren geweest, hadden die elkaar vlak na de oerknal allemaal vernietigd en zou ons universum nu leeg zijn.

Gloeiende mist

Wat de protonen en neutronen betreft, is het heelal dan tot rust gekomen. Maar in het hete, jonge heelal ploppen nog wel voortdurend elektronen en hun antideeltjes tevoorschijn (en enkele andere soorten lichte deeltjes), om vervolgens weer te verdwijnen. Deze fase stopt enkele seconden na de oerknal; nu ontstaan er ook geen elektronen en dergelijke meer, terwijl de bestaande deeltjes en antideeltjes elkaar vernietigen. Gelukkig geldt hier eveneens dat de deeltjes net in de meerderheid zijn ten opzichte van de antideeltjes, waardoor van die eerste groep een klein deel overblijft. Na een minuut of drie is de temperatuur gedaald tot onder 1 miljard graden, waardoor de protonen en neutronen samen atoomkernen kunnen vormen. We hebben het dan trouwens alleen over de lichtste vier elementen: waterstof, helium, lithium en beryllium. De zwaardere elementen zullen veel later pas ontstaan, in het binnenste van sterren. De fase waarin atoomkernen ontstaan, duurt overigens niet langer dan een dik kwartier. Daarna is de temperatuur weer te láág geworden om protonen en neutronen samen te smelten.

Als de lichte elementen eenmaal zijn ontstaan, lijkt het heelal nog steeds in de verste verte niet op dat van ons. Niet alleen zijn er nog geen sterren of sterrenstelsels ontstaan, ook is ruimte ondoorzichtig. Astronoom Neil deGrasse Tyson omschrijft dit als volgt: “In die tijd kon je het heelal niet zien. Fotonen die je oog binnenkwamen, zouden een fractie van een seconde eerder tegen een elektron zijn gebotst, vlak voor je gezicht. Je zou daardoor in alle richtingen alleen maar een gloeiende mist zien. En je hele omgeving – lichtgevend, doorschijnend en rood-wit van kleur – zou bijna zo helder zijn als het oppervlak van de zon.” Dat verandert 380.000 jaar na de oerknal, wanneer de temperatuur van het heelal daalt tot onder de 3000 graden. Nu worden de vrije elektronen gevangen door atoomkernen, zodat ze vervolgens als complete atomen door het leven kunnen gaan. Dat zorgt ervoor dat fotonen niet meer continu tegen elektronen aanbotsen, maar vrij rond kunnen vliegen. “Het heelal werd doorzichtig; de mist trok op”, schetst Tyson.

Inflatie in gevaar

Dit allereerste ‘vrije licht’ van 380.000 jaar na de oerknal zien we nog steeds. Het vormt namelijk de zogenoemde kosmische achtergrondstraling, die ons vanuit alle hoeken van de hemel tegemoet straalt met een temperatuur van -270,4 graden Celsius, oftewel 2,7 graden boven het absolute nulpunt. Deze straling, die voor het eerst werd waargenomen in 1965 en de afgelopen decennia nauwkeurig is bestudeerd door de satellieten COBE en WMAP, vormt een belangrijk bewijsstuk voor de oerknaltheorie. Maar diezelfde straling laat ook zien dat ons plaatje van hoe het heelal ontstond mogelijk nog wat hordes te nemen heeft.

De kwestie is als volgt. De achtergrondstraling laat heel kleine temperatuurverschillen zien, zo weten we dankzij COBE. En dat is mooi, want die verschilletjes wijzen erop dat de dichtheid in het vroege heelal niet overal hetzelfde was. Uit de gebiedjes waar de dichtheid net wat hoger was, konden later de sterrenstelsels ontstaan waar ons heelal nu mee is gevuld. Maar waar komen die dichtheidsvariaties zelf dan vandaan? Hier komt de inflatietheorie to the resque, die periode vlak na de oerknal waarin het heelal heel eventjes met een enorme snelheid groeide. Die zorgt ervoor dat de variaties in de achtergrondstraling vóór de inflatieperiode zó dicht op elkaar zaten, dat ze heel mooi te verklaren zijn. In de woelige wereld van het allerkleinste, die wordt geregeerd door de quantummechanica, ontstaan dit soort dichtheidsverschilletjes namelijk onvermijdelijk vanzelf. Kortom, de inflatietheorie vergroot de ‘quantumhikjes’ van het pasgeboren heelal zo ver, dat ze kunnen dienen als de zaadjes van de sterrenstelsels waar het heelal nu mee is gevuld. Probleem is alleen dat de achtergrondstraling daarvoor evenveel iets hetere, als iets koelere plekjes moet bevatten. En dat is niet zo, claimen de wetenschappers Benjamin Wandelt, Eiichiro Komatsu en Amit Yadav. Zij analyseerden metingen van de NASA-satelliet WMAP en concludeerden daaruit tot hun eigen verassing dat de koude plekjes de overhand lijken te hebben. In vaktermen heet dat: de achtergrondstraling is niet-Gaussisch. Is dat echt zo, dan komt de verklaring die inflatie biedt voor de structuur van ons heelal in gevaar. Tenminste, als we de eenvoudigste versie van de inflatietheorie hanteren. Sommige astronomen zijn bezig met ingewikkeldere varianten, die volgens hen wél kloppen met de waarnemingen van Wandelt, Komatsu en Yadav.

Überruimte

Natuurlijk zou het ook zo kunnen zijn dat de inflatietheorie simpelweg niet de juiste is. Misschien is er sprake van een cyclisch universum: een universum dat niet ooit uit het niets ontstond, maar in een eeuwige cyclus gevangen zit van uitdijen, inkrimpen en opnieuw uitdijen. Een recente versie van zo’n heelal is het zogenoemde ekpyrotische model van de natuurkundigen Paul Steinhardt en Neil Turok. Dit tweetal gaat uit van de snaartheorie. Dit is een poging om alles in ons heelal in één keer te beschrijven, door de deeltjes voor te stellen als minuscule snaartjes. Een eigenschap van deze theorie is dat hij alleen werkt in tien dimensies. Vreemd natuurlijk, want voor zover we weten, heeft ons heelal maar vier dimensies: lengte, breedte, hoogte en tijd. Waar zijn die overige zes dan? Het antwoordt van Steinhardt en Turok: ons heelal is eigenlijk een soort vierdimensionale bubbel, die rondzweeft in een tiendimensionale ‘überruimte’. Om je een beetje voor te stellen wat Steinhardt en Turok voor ogen hebben, is het handig om wat dimensies weg te denken. Breng de tiendimensionale ruimte terug to een driedimensionale, en stel je ons heelal voor als een tweedimensionaal vlak dat daarin zweeft. In de buurt van dit vlak bevindt zich nog zo’n vlak: een ander universum. De afstand tussen deze twee buurheellallen is onvoorstelbaar klein: minder dan de breedte van een atoomkern. Toch merken we niets van dit andere heelal; onze hele werkelijkheid speelt zich af binnen ons eigen heelal. Maar op een gegeven moment knallen beide heelallen op elkaar, en dat is een gebeurtenis met grote gevolgen. Net voor de botsing ontstaan er rimpelingen in beide vlakken, die ervoor zorgen dat ze niet overal tegelijk op elkaar botsen. Tijdens deze onregelmatige botsing ontstaat een even onregelmatige ‘vuurbal’, met hetere en koudere plekjes. En laten die hetere en koudere plekjes nu overeenkomen met de onregelmatigheden die we zien in de kosmische achtergrondstraling! Oftewel: we hebben in het heelal van Steinhardt en Turok niet te maken met quantumeffectjes op heel kleine schaal die door inflatie met een enorme factor uitvergroot worden, maar met een botsing tussen twee heelallen die hetzelfde resultaat oplevert.

Herrijzend heelal

Door de kracht van de botsing worden de twee heelallen vervolgens uit elkaar gedreven. Ondertussen begint in elk heelal de ruimte uit te dijen, en ontstaan er sterrenstelsels uit de dichtheidsvariaties, net zoals in het gewone oerknalmodel. Die blijven miljarden en miljarden jaren bij elkaar vandaan vliegen, totdat de materie in zo’n heelal zó dun is uitgesmeerd dat er minder dan één deeltje te vinden is in een gebied van 1 biljard kubiek lichtjaar. Kortom, we hebben het hier over een heelal dat zo goed als leeg is. In de gewone oerknaltheorie is die toestand het meest waarschijnlijke eindstadium van ons heelal. Geen erg opwekkend idee, zo’n eeuwigdurende, duistere leegte. Maar het model van Steinhardt en Turok heeft een verassing voor ons in petto: op een gegeven moment beginnen de twee universa weer naar elkaar toe te bewegen! Uiteindelijk leidt dat tot een nieuwe botsing en een nieuwe vuurbal, die beide universa vult met nieuwe sterrenstelsels. Een proces dat zich onbeperkt blijft herhalen, met als resultaat een heelal dat steeds weer als een feniks in brand vliegt en herrijst uit zijn eigen as. Vandaar ook de naam van dit model: ekpyrotisch, Grieks voor ‘uit vuur’. Een mooi idee, dat zeker. De kwestie is alleen: hoeveel waarde moeten we eraan hechten? Yadav ziet er wel iets in, met het oog op het onderzoek dat hij samen met Wandelt en Komatsu deed. “Onze resultaten maken cyclische modellen aantrekkerlijker, omdat deze wél een niet-Gaussische achtergrondstraling voorspellen. En voor zover ik weet, is het niet gemakkelijk om een inflatiescenario te bedenken dat ook aansluit bij onze waarnemingen. Dus in dat opzicht past een cyclisch model beter.”
Van de Weijgaert is sceptischer. “Dit soort theorieën klinkt uitermate intrigeren, maar ze staan wel heel ver van de werkelijkheid”, zegt hij. “Ze hebben geen enkele voorspellende waarde; ik ken tenminste geen meting die hier iets over zegt. Wat moet je er dan van geloven?” Hij houdt het daarom voorlopig liever bij inflatie; daar rollen tenminste voorspellingen uit die je kunt testen. Zo zou inflatie gezorgd hebben voor zwaartekrachtsgolven, die hun sporen hebben nagelaten in de kosmische achtergrondstraling. Die zijn bepaald niet makkelijk waar te nemen, maar toch zou het kunnen dat de ESA-satelliet Planck daarin slaagt. En anders kan CMB-Pol, de beoogde opvolger van de Amerikaanse satelliet WMAP, ze misschien zien – als deze ruimtetelescoop tenminste ooit wordt gebouwd.

Superdeeltjes

Een ander probleem dat het oerknalmodel plaagt, is de waargenomen hoeveelheid lithium in het heelal. Dit element ontstond zoals gezegd, samen met waterstof, helium en beryllium, in de eerste paar minuten na de oerknal. Als je de oerknaltheorie combineert met data afkomstig van de satelliet WMAP, kun je uitvogelen hoeveel er van elk element hóórt te zijn in ons heelal. Voor waterstof en helium kloppen die hoeveelheden heel aardig met de waarnemingen, maar niet voor lithium. Van het isotoop lithium – 7 (met een kern bestaande uit drie protonen en vier neutronen) blijkt in heel oude sterren maar een derde voor te komen van wat ‘de bedoeling is’. Wat betreft het zeldzamere lithium – 6, met drie protonen en drie neutronen in de kern, is de zaak nog veel ernstiger. Van deze variant hebben astronomen in oude sterren juist duizend keer zoveel gevonden als de theorie voorschrijft. Hoe we dit probleem moeten oplossen? Je kunt natuurlijk altijd de waarnemingen in twijfel trekken, zoals sommige astronomen doe. Maar, zoals Van de Weijgaert zegt: “De mensen die hieraan hebben meegewerkt, zijn allemaal grote experts”. Hun bevindingen zonder meer naar het rijk der fabelen verwijzen, is dus misschien niet de sterkste reactie. Optie nummer twee dan: zeggen dat we nog niet goed genoeg begrijpen hoe de sterren precies werken die te veel lithium – 6 en te weinig lithium – 7 bevatten. Misschien gebeurt er wel iets met het element in die hete, kolkende ballen plasma wat de waargenomen afwijkingen kan verklaren. Maar het kan natuurlijk ook dat er iets ontbreekt aan onze oerknaltheorie. Zo zouden er vlak na de oerknal exotische deeltjes geweest kunnen zijn die zich bemoeiden met het ontstaan van lithiumkernen. Een mogelijkheid daartoe biedt supersymmetrie, een idee dat inhoudt dat elk deeltje een zwaar partnerdeeltje heeft. Die partnerdeeltjes hebben we nog nooit waargenomen, maar er zijn wel theoretische redenen om aan te nemen dat ze bestaan.

Een zo’n ‘superdeeltje’ is het gravitino, de partner van het graviton (het deeltje dat de zwaartekracht overdraagt). Karsten Jedamzik van de universiteit van Montpellier veronderstelt dat deze gravitino’s vlak na de oerknal uiteenvielen tot protonen en neutronen. Deze extra deeltjes zouden ervoor hebben gezorgd dat lithium – 7 eerder ontstond dan anders het geval was geweest. Helaas was het op dat moment nog te heet voor lithiumkernen, dus verdwenen die weer. Dat zou het gebrek aan lithium – 7 kunnen verklaren. Tegelijkertijd kunnen de neutronen die uit gravitino’s ontstaan volgens Jedamzik ook het teveel aan lithium – 6 uitleggen. Ze zouden heliumkernen uit elkaar gebeukt hebben, waarbij tritium (waterstof met twee extra neutronen) ontstond. Dit tritium kon vervolgens met andere heliumkernen samensmelten tot lithium – 6.

Misvattingen

Misvatting 1

‘De oerknal was een explosie in een lege ruimte’. De woorden oerknal en Big Bang zijn helaas wat misleidend: ze roepen het beeld op van een lege ruimte met in het midden een explosie, waarna de ‘brokstukken’ alle kanten op schieten. Maar dat klopt niet. Er was en is geen lege ruimte waarin het heelal uitdijt, hoe graag onze hersenen zich dat ook zo voorstellen. Ook heeft het heelal geen centrum, waarvandaan alles uitdijt. De oerknal vond overal plaats, en vanaf elk punt in het heelal zou je nu sterrenstelsels van je vandaan zien vliegen.

Misvatting 2

‘De oerknaltheorie spreekt de relativiteitstheorie tegen’. Hoe verder een sterrenstelsel zich van ons vandaan bevindt, des te sneller het van ons weg beweegt. Dat stelt de beroemde Wet van Hubble. Maar de speciale relativiteitstheorie van Einstein zegt dat niets sneller dan de lichtsnelheid kan gaan (300.000 km/s). Kom je dan niet in de problemen als je zowel Hubble als Einstein gelooft? Als je Hubbles wet doortrekt, kom je op een gegeven moment bij sterrenstelsels die zó ver van ons vandaan staan, dat ze een snelheid hebben die hoger is dan die van het licht. Mag dat van Einstein? Ja. Einsteins theorie gaat over objecten die dóór de ruimte bewegen; díé kunnen nooit sneller dan het licht gaan. Maar daar is bij de uitdijing van het heelal geen sprake van. Hier gaat het om de ruimte zélf die groeit. En over de snelheid waarmee dat gebeurt, heeft de speciale relativiteitstheorie niets te zeggen.

Misvatting 3

‘De term Big Bang was neerbuigend bedoeld’. Je leest het verhaal op talloze plekken: astronoom Fred Hoyle geloofde absoluut niet in de oerknaltheorie en gebruikte tijdens een radioprogramma in 1949 de kreet Big Bang om het concept belachelijk te maken. Helaas voor hem groeide zijn sneer uit tot een algemeen geaccepteerde naam voor een even algemeen geaccepteerde theorie. Een mooie anekdote, maar als we Hoyle zelf mogen geloven, ging het net even anders. Ja, de man was absoluut anti – oerknal; hij stond aan de wieg van een concurrerende theorie die stelde dat het heelal altijd al bestond. Maar hij noemde het idee van zijn tegenstanders niet een ‘Big Bang’ omdat hij der de draak mee wilde steken; hij wilde alleen maar zo duidelijk en beeldend mogelijk schetsen wat ermee werd bedoeld. En daar slaagde hij bijzonder goed in, getuige de houdbaarheid van zijn term.

Misvatting 4

‘De straal van het waarneembare universum is 13,7 miljard lichtjaar’. Het licht heeft een eindige snelheid; het reist door het vacuüm met 300.000 km/s. Dat zorgt ervoor dat we sterrenkundige objecten niet zien zoals ze nu zijn, maar zoals ze waren toen ze hun licht uitzonden. Het licht van de zon doet er bijvoorbeeld acht minuten over om ons hier op aarde te bereiken, dus zien we de zon zoals hij acht minuten geleden was. De dichtstbijzijnde sterren liggen op ruim vier lichtjaar afstand, wat wil zeggen dat het licht er ruim vier jaar over doet om van daar naar hier te komen. Deze sterren zien we dus zoals ze in 2005 waren (en als ze nu ontploffen, zien we dat pas in 2013). Hieruit volgt dat hoe verder we het heelal in staren, hoe verder we het verleden in kijken. Dat betekent dat we niet oneindig ver kunnen kijken, want het heelal heeft niet altijd bestaan. Het werd 13,7 miljard jaar geleden ‘geboren’; er is dus geen licht dat nóg ouder is. Conclusie: het verste object dat wij als mensen kunnen bestuderen, ligt op 13,7 miljard lichtjaar afstand. Of, met andere woorden: het waarneembare heelal is een bolvormig gebied rond de aarde met een straal van 13,7 miljard. Tenminste… Dat zou zo zijn in een heelal dat niet uitdijt, maar in zo’n heelal wonen we niet. Terwijl het licht van een ver sterrenstelsel naar ons toe komt, dijt de ruimte uit die dit licht al heeft doorkruist. Daardoor staat het verste object dat we kunnen zien niet op 13,7 miljard lichtjaar, maar op 46 lichtjaar afstand.

De weg naar de oerknaltheorie

• 1750 De Britse astronoom Thomas Wright stelt dat de zon deel uitmaakt van een enorme, draaiende schijf sterren: de Melkweg. Ook oppert hij de mogelijkheid dat veel nevels aan de hemel in feite andere sterrenstelsels zijn, net als de Melkweg.
• 1868 William Huggins, land- en vakgenoot van Wright, toont aan dat je dankzij de zogenoemde Doppler – verschuiving uit het licht van een ster kunt afleiden met welke snelheid die van je vandaan of juist naar je toe beweegt.
• 1912 De Amerikaanse sterrenkundige Vesto Slipher ontdekt met behulp van Higgins’ techniek dat het sterrenstelsel Andromeda naar ons toe komt, maar veel andere sterrenstelsels juist van ons vandaan bewegen.
• 1916 Albert Einstein publiceert zijn beroemde meesterwerk: de algemene relativiteitstheorie. Die beschrijft de zwaartekracht als massa en energie die de ruimtetijd krommen.
• 1917 Einstein past zijn theorie aan om ervoor te zorgen dat die een heelal voorspelt dat niet uitdijt of inkrimpt, maar statisch is.
• 1922 De Rus Alexander Friedmann toont aan dat Einsteins theorie een heelal toelaat dat ofwel eeuwig blijft uitdijen, ofwel op een gegeven moment begint te krimpen.
• 1925 De Amerikaanse sterrenkundige Edwin Hubble constateert dat een deel van de ‘nevels’ aan de sterrenhemel andere sterrenstelsels zijn, die zich ver van onze Melkweg bevinden. Thomas Wright (zie 1750) had dus gelijk.
• 1927 De Belgische priester Georges Lemaître publiceert een artikel waarin hij stelt dat het heelal uitdijt (hij weet aanvankelijk niet van de berekeningen van Friedmann uit 1922). Einstein wil er niet aan: hij noemt Lemaître’s “wiskunde correct, maar zijn natuurkunde abominabel”.
• 1929 Hubble en zijn assistent Milton Humason formuleren de Wet van Hubble: de snelheid waarmee een sterrenstelsel van ons vandaan beweegt, is evenredig met de afstand tot dat stelsel. Oftewel: hoe verder een stelsel van ons vandaan staat, hoe sneller het zich van ons verwijdert.
• 1931 Lemaître stelt, uitgaande van de Wet van Hubble, dat het heelal ontstond uit een enkel punt. Hij noemt dat punt het ‘oeratoom’ en ‘het kosmische ei dat explodeerde op het moment van de creatie van het universum’.
• 1933 Einstein hoort Lemaître’s idee aan tijdens een treinreis en bewondert zijn theorie. Hij noemt het “de meest bevredigende uitleg van het ontstaan van het heelal die hij ooit heeft gehoord”.
• 1948 George Gamow en Ralph Alpher stellen dat de lichte elementen in ons universum (met name waterstof en helium) vlak na de oerknal zijn ontstaan en voorspelde dat de oerknal een straling heeft achtergelaten met een temperatuur van een paar graden boven het absolute nulpunt (-273,15 graden Celsius).
• 1949 De Engelse astronoom Fred Hoyle gebruikt in een radioprogramma voor het eerst de term Big Bang.
• 1951 Paus Pius XII toont zich verheugd over de oerknaltheorie; hij ziet er bewijsmateriaal in dat het bestaan van een schepper ondersteunt.
• 1965 De Amerikaanse wetenschappers Arno Penzias en Robert Wilson ontdekken de achtergrondstraling die Gamow en Alpher voorspelden.
• 1980 Theoretisch natuurkundige Alan Guth komt met de inflatietheorie, die stelt dat het heelal net na de oerknal heel kort met een enorm hoge snelheid uitdijde. Hiermee lost hij een aantal grote problemen rond de oerknaltheorie op.
• 1989 NASA – ruimtetelescoop COBE doet belangrijke waarnemingen aan de achtergrondstraling van het heelal, die de oerknaltheorie ondersteunen.
• 1998 Het heelal blijkt versneld uit te dijen. Donkere energie wordt hiervoor verantwoordelijk geacht.
• 2003 De eerste waarnemingen van de Amerikaanse ruimtetelescoop WMAP, die net als COBE de kosmische achtergrondstraling bestudeert, worden bekendgemaakt. Het wetenschappelijk tijdschrift Science noemt ze de grootste doorbraak van het jaar.
• 2009 ESA’s ruimtetelescoop Planck wordt gelanceerd. Deze moet de kosmische achtergrondstraling in nog meer detail bestuderen dan COBE en WMAP.