Onze blik op een klein gebied van het heelal nabij de noordelijke galactische top, waar elke pixel in de… afbeelding een in kaart gebracht sterrenstelsel voorstelt. Op de grootste schaal is het heelal in alle richtingen en op alle meetbare plaatsen hetzelfde, maar verre sterrenstelsels lijken kleiner, jonger en minder geëvolueerd dan degene die we dichtbij vinden.
SDSS III, data release 8
Er zijn twee dingen die mensen over het heelal leren die hen meer dan andere verbazen: dat het heelal niet eeuwig heeft bestaan, maar slechts een eindige tijd sinds de oerknal, en dat het sinds die gebeurtenis is blijven uitdijen. De meeste mensen horen die “knal” intuïtief en stellen zich een explosie voor, en denken dan aan een uitdijing zoals zij een granaatscherf zouden voorstellen die in alle richtingen naar buiten wordt geslingerd. Het is waar dat de materie en de energie in het heelal in één keer in een hete en dichte toestand begonnen, en daarna uitdijden en afkoelden toen alle verschillende componenten zich van elkaar verwijderden. Maar dat betekent niet dat het “explosie” beeld juist is. We kregen een heel goede vraag van Jasper Evers, die zich het volgende afvraagt:
Ik vraag me af hoe het komt dat er geen centrum van het heelal is en dat de kosmische achtergrondstraling overal waar we kijken ver weg is. Het lijkt mij dat als het heelal uitdijt… er een plaats moet zijn waar het begon uit te dijen.
Wat deze vraag immers precies vraagt is wat overeenkomt met onze ervaring telkens als we een explosie tegenkomen.
De eerste stadia van de explosie van de Trinity kernproef, slechts 16 milliseconden na… detonatie. De top van de vuurbal is 200 meter hoog. Zonder de aanwezigheid van de grond zou de explosie zelf geen halve bol zijn, maar eerder een bijna perfect symmetrische bol.
Berlyn Brixner
Wanneer je ook maar een explosie hebt, ongeacht of die gebaseerd is op een verbrandingsreactie, een nucleaire explosie, een breuk door overdruk in een container, etc., zijn de volgende dingen waar.
- Een explosie begint altijd op een specifieke plaats in de ruimte.
- Een explosie neemt aanvankelijk een klein maar eindig volume in.
- En een explosie breidt zich snel naar buiten uit in alle richtingen, slechts beperkt door de externe krachten en barrières die ze tegenkomt.
Bij een explosie wordt vaak materiaal meegevoerd en/of beïnvloed, dat radiaal naar buiten wordt geduwd, waarbij een deel van dat materiaal (meestal het lichtste materiaal) het snelst naar buiten beweegt. Dat snelst bewegende materiaal zal zich sneller en verder verspreiden dan de rest van het materiaal, en zal daardoor minder dicht worden. Ook al daalt de energiedichtheid overal, zij daalt het snelst het verst weg van de explosie, omdat energieker materiaal sneller minder dicht wordt: aan de rand van de explosie. Alleen al door de banen van deze verschillende deeltjes te meten, kun je altijd reconstrueren waar de explosie plaatsvond.
Als je steeds verder weg kijkt, kijk je ook steeds verder in het verleden. Het verste… dat we terug in de tijd kunnen kijken is 13,8 miljard jaar: onze schatting voor de leeftijd van het heelal. Het is de extrapolatie terug naar de vroegste tijden die leidde tot het idee van de Big Bang. Hoewel alles wat we waarnemen consistent is met het Big Bang raamwerk, is het niet iets dat ooit bewezen kan worden.
NASA / STScI / A. Felid
Maar dit beeld dat ik zojuist voor u heb geschetst – van een explosie – komt niet overeen met ons heelal. Het heelal ziet er hier hetzelfde uit als een paar miljoen of zelfs een paar miljard lichtjaren verderop. Het heeft dezelfde dichtheden, dezelfde energieën, hetzelfde aantal sterrenstelsels in een bepaald volume ruimte, enzovoort.
De objecten die heel ver weg staan, lijken zich inderdaad met grotere snelheid van ons af te bewegen dan de objecten dichtbij, maar ze lijken ook niet even oud te zijn als de langzamere, dichterbij staande objecten. In plaats daarvan lijken de verder weg gelegen objecten, naarmate we verder weg gaan, jonger, minder geëvolueerd, groter in aantal, en kleiner in omvang en massa. Ondanks het feit dat we sterrenstelsels kunnen zien op afstanden van meer dan 30 miljard lichtjaar, zien we, als we bijhouden hoe alles beweegt en hun banen terugleiden naar een gemeenschappelijke oorsprong, de meest onwaarschijnlijke uitkomst: het waargenomen “centrum” landt precies op ons.
De Laniakea supercluster, met daarin de Melkweg (rode stip), is de thuisbasis van onze Lokale Groep en zo… veel meer. Onze locatie ligt aan de rand van de Virgo Cluster (grote witte verzameling in de buurt van de Melkweg). Ondanks het bedrieglijke uiterlijk van de afbeelding is dit geen echte structuur, omdat donkere energie de meeste van deze klonters uit elkaar zal drijven en ze in de loop van de tijd zal fragmenteren. Maar als ons heelal begon met een explosie, dan zou het gereconstrueerde centrum van die explosie hier liggen: in deze supercluster, die minder dan een miljardste van het volume van het waarneembare heelal inneemt.
Tully, R. B., Courtois, H., Hoffman, Y & Pomarède, D. Nature 513, 71-73 (2014)
Van alle triljoenen sterrenstelsels in het heelal, hoe groot is de kans dat wij ons toevallig precies in het centrum van de explosie bevinden waarmee het heelal begon? Hoe groot is de kans, naast die minuscule, dat de eerste explosie precies zo was geconfigureerd, compleet met
- onregelmatige, inhomogene dichtheden,
- verschillende begintijden voor stervorming en melkweggroei,
- energieën die enorm variëren van plaats tot plaats op precies de juiste, fijnafgestemde manier,
- en een mysterieuze 2.7 K achtergrondgloed in alle richtingen,
- en een mysterieuze 2.7 K achtergrondgloed in alle richtingen,
- .7 K achtergrondgloed in alle richtingen,
om samen te spannen zodat we precies in het centrum zijn? We moeten heel wat verzinnen om dit te verklaren, en veel waarnemingen zouden nog steeds onverklaarbaar blijven. Het explosiescenario is niet alleen onrealistisch; het gaat in tegen de bekende natuurkundige wetten.
Bij een explosie in de ruimte zou het buitenste materiaal het snelst weg bewegen, wat betekent dat het… minder dicht zou worden, het snelst energie zou verliezen, en andere eigenschappen zou vertonen naarmate je verder van het middelpunt af ging. Het zou ook ergens in moeten uitdijen, in plaats van de ruimte zelf uit te rekken. Ons heelal ondersteunt dit niet.
ESO
In plaats daarvan voorspelt de zwaartekrachtswet die ons heelal beheerst – Einsteins Algemene Relativiteitstheorie – echter dat een heelal vol materie en energie niet explodeert, maar juist uitdijt. Een heelal dat overal vol zit met gelijke hoeveelheden materie, met dezelfde gemiddelde dichtheden en temperaturen, moet óf uitdijen óf inkrimpen; omdat we een schijnbare recessie waarnemen, is de uitdijingsoplossing de enige die fysisch is. (Net zoals de vierkantswortel van 4 +2 of -2 kan zijn, maar slechts één daarvan komt overeen met het fysieke aantal appels in je handen.)
Er bestaat een misvatting dat een uitdijend heelal kan worden geëxtrapoleerd tot één enkel punt; dat is niet waar! In plaats daarvan kan het worden geëxtrapoleerd tot een gebied van eindige grootte met bepaalde eigenschappen (d.w.z. gevuld met materie, straling, de wetten van de natuurkunde, enz.), maar dat zich dan moet ontwikkelen volgens de regels die onze zwaartekrachtstheorie vaststelt.
Waar dit onvermijdelijk toe leidt is een heelal dat overal dezelfde eigenschappen heeft. Dit betekent dat we in elk eindig gebied van de ruimte van gelijke grootte dezelfde dichtheid zouden moeten zien als in het heelal, dezelfde temperatuur als in het heelal, hetzelfde aantal melkwegstelsels, enzovoort.
Omdat de Oerknal een eindige tijd geleden overal tegelijk plaatsvond, zal onze lokale hoek van het heelal de oudste hoek van het heelal lijken te zijn die er is. Vanuit ons gezichtspunt is dat wat dichtbij is bijna net zo oud als wij, maar wat op grote afstand verschijnt lijkt veel meer op hoe ons nabije heelal er vele miljarden jaren geleden uitzag.
Als je naar een gebied aan de hemel kijkt met een instrument als de Hubble-ruimtetelescoop, dan ben je niet…. niet alleen naar het licht van verre objecten zoals het was toen dat licht werd uitgezonden, maar ook zoals het licht wordt beïnvloed door al het tussenliggende materiaal, en de expansie van de ruimte, die het op zijn reis meemaakt. Hubble heeft ons verder teruggebracht in de tijd dan enig ander observatorium tot nu toe, en heeft ons een heelal laten zien dat zich in de loop van de tijd ontwikkelt in type, grootte en dichtheid van sterrenstelsels.
NASA, ESA, en Z. Levay, F. Summers (STScI)
De verre sterrenstelsels die er zijn, zenden voortdurend licht uit, en wij zien het licht dat pas is aangekomen nadat het zijn reis naar ons toe door het uitdijende heelal heeft voltooid. Sterrenstelsels waarvan het licht er een miljard of tien miljard jaar over gedaan heeft om hier te komen, verschijnen zoals ze een miljard of tien miljard jaar geleden waren. Als we helemaal teruggaan, naar bijna het moment van de oerknal zelf, dan zien we dat het heelal toen het zo jong was werd gedomineerd door straling, en niet door materie. Het moet eerst uitdijen en afkoelen voordat materie energetisch belangrijker wordt.
Na verloop van tijd, als dat heelal uitdijt en afkoelt, kunnen neutrale atomen zich eindelijk stabiel vormen zonder onmiddellijk uit elkaar te worden geblazen. De straling die eens het heelal overheerste, blijft echter bestaan, en blijft afkoelen en roodverschuiven als gevolg van de uitdijing van de ruimte. Wat we vandaag waarnemen als de achtergrondstraling van de kosmische microgolf is consistent met het feit dat het de overgebleven gloed van de oerknal is, maar is ook waarneembaar vanaf elke plek in het heelal.
De grootschalige structuur van het heelal verandert in de loop van de tijd, als minuscule onvolkomenheden uitgroeien tot de… eerste sterren en sterrenstelsels, en vervolgens samensmelten tot de grote, moderne sterrenstelsels die we vandaag de dag zien. Als je naar grote afstanden kijkt, zie je een jonger heelal, net als ons gebied in het verleden. Als we verder teruggaan dan de vroegste sterrenstelsels die we kunnen waarnemen, vinden we de restgloed van de oerknal zelf, die in alle richtingen verschijnt en overal in het heelal zichtbaar zou moeten zijn.
Chris Blake en Sam Moorfield
Er is niet noodzakelijkerwijs een centrum van het heelal; het is alleen onze bevooroordeelde intuïtie die ons vertelt dat er een zou moeten zijn. We kunnen een ondergrens stellen aan de grootte van het gebied waar de oerknal moet hebben plaatsgevonden – het kan niet kleiner zijn dan de grootte van een voetbal of zo – maar er is geen bovengrens; het gebied van de ruimte waar de oerknal plaatsvond kan zelfs oneindig zijn geweest.
Als er echt een centrum is, kan het letterlijk overal zijn, en we zouden het op geen enkele manier kunnen weten. Het deel van het heelal dat voor ons waarneembaar is, is onvoldoende groot om die informatie te onthullen, zelfs als het waar zou kunnen zijn. We zouden een rand aan het heelal moeten zien (die zien we niet), of een fundamentele anisotropie moeten waarnemen waarbij verschillende richtingen verschillend lijken (maar we zien dezelfde temperaturen en aantallen melkwegstelsels), en we zouden een heelal moeten zien dat van regio tot regio verschillend lijkt te zijn op de grootste kosmische schalen (maar het blijkt in plaats daarvan homogeen te zijn).
Zowel de simulaties (rood) als de onderzoeken naar sterrenstelsels (blauw/paars) vertonen dezelfde grootschalige clustering… patronen. Het heelal is, vooral op kleinere schalen, niet perfect homogeen, maar op grote schalen is de homogeniteit en isotropie een goede aanname tot beter dan 99,99% nauwkeurigheid.
Gerard Lemson en het Virgo Consortium
Het klinkt zo redelijk om de vraag te stellen: “vanwaar begon het heelal met uitdijen?” Maar als je al het bovenstaande beseft, zul je inzien dat dat helemaal de verkeerde vraag is. “Overal, ineens” is het antwoord op die vraag, en dat komt vooral omdat de Oerknal niet verwijst naar een speciale plaats in de ruimte, maar naar een speciaal moment in de tijd.
Dat is wat de Oerknal is: een toestand die het hele waarneembare heelal – en mogelijk een veel, veel groter gebied dan dat – in één keer en op één specifiek moment beïnvloedt. Het is de reden waarom kijken naar objecten die verder weg zijn in de ruimte betekent dat we dat object zien zoals het was op een moment in het verre verleden. Het is de reden waarom alle richtingen ruwe eigenschappen lijken te hebben die uniform zijn, ongeacht waar we kijken. En het is de reden waarom we onze kosmische geschiedenis kunnen traceren, via de evolutie van de objecten die we zien, zo ver terug als onze observatoria ons in staat stellen te gaan.
Stelsels die vergelijkbaar zijn met de huidige Melkweg zijn talrijk, maar jongere stelsels die op de Melkweg lijken… Way-achtig zijn, zijn van nature kleiner, blauwer, chaotischer en over het algemeen rijker aan gas dan de sterrenstelsels die we nu zien. Voor de allereerste sterrenstelsels moet dit tot in het extreme worden doorgetrokken, en het blijft geldig tot zover als we ooit hebben gezien.
NASA en ESA
Ondanks alles waar we toegang toe hebben – ondanks alles wat onze theorieën en waarnemingen ons vertellen – is er nog steeds enorm veel dat ons onbekend blijft. We weten niet wat de werkelijke omvang van het hele heelal is; we hebben alleen een ondergrens dat het nu ten minste 46,1 miljard lichtjaar in radius moet zijn in alle richtingen vanuit ons perspectief.
We weten niet wat de vorm van het weefsel van de ruimte is, en of het positief gekromd is als een bol, negatief gekromd als een zadel, of volkomen plat, als een plaat of een cilinder. We weten niet of het terugbuigt naar zichzelf of dat het eeuwig doorgaat. Alles wat we weten is gebaseerd op alles wat we kunnen waarnemen. Uit die informatie kunnen we concluderen dat het consistent is met oneindige afmetingen, dat het consistent is met perfecte vlakheid, maar informatie die het tegendeel bewijst kan liggen in het volgende significante cijfer van gegevens of net voorbij onze waarneembare kosmische horizon. Het is van vitaal belang dat we blijven zoeken.
Op een logaritmische schaal heeft het heelal dichtbij het zonnestelsel en ons Melkwegstelsel. Maar ver… daarachter bevinden zich alle andere sterrenstelsels in het heelal, het grootschalige kosmische web, en uiteindelijk de momenten onmiddellijk na de oerknal zelf. Hoewel we niet verder kunnen waarnemen dan deze kosmische horizon, die zich momenteel op een afstand van 46,1 miljard lichtjaar bevindt, zal er in de toekomst nog meer heelal zijn dat zich aan ons zal openbaren. Het waarneembare heelal bevat vandaag de dag 2 biljoen sterrenstelsels, maar naarmate de tijd verstrijkt, zal er meer heelal voor ons waarneembaar worden, en misschien enkele kosmische waarheden onthullen die ons nu nog onbekend zijn.
Wikipedia-gebruiker Pablo Carlos Budassi
De reden dat we de ware aard van het heelal – het hele, niet waarneembare heelal – niet kunnen kennen, is dat het deel waar we toegang toe hebben eindig is. Er is een eindige hoeveelheid informatie die we over onze kosmos kunnen vergaren, zelfs als we willekeurig krachtige instrumenten en detectoren ontwikkelen. Het is zeer aannemelijk dat zelfs als we oneindig lang wachten, we nooit zullen weten of het heelal eindig of oneindig is, of wat de geometrische vorm ervan is.
Of je het weefsel van de ruimte nu ziet als een zuurdesem van rozijnenbrood, of als een uitdijende ballon met munten aan het oppervlak geplakt, je moet in gedachten houden dat het deel van het heelal waartoe we toegang hebben, waarschijnlijk maar een heel klein deel is van wat er ook werkelijk bestaat. Wat voor ons waarneembaar is, stelt slechts een ondergrens aan het geheel van wat daarbuiten is. Het heelal kan eindig of oneindig zijn, maar wat we zeker weten is dat het uitdijt, minder dicht wordt, en dat objecten die verder weg staan er net zo uitzien als ze lang geleden waren. Zoals astrofysicus Katie Mack opmerkt:
Het heelal dijt uit op de manier waarop je geest uitdijt. Het dijt niet uit in iets; je wordt alleen minder dicht.