De mensheid heeft eeuwenlang gedacht dat het heelal er altijd was

Waar komt het heelal vandaan?
door Lydwin van Rooyen
De mensheid heeft eeuwenlang gedacht dat het heelal er altijd was en er altijd zou blijven. De
sterren staan vast aan het firmament, en de zon en de planeten zijn de enige dingen die bewegen.
In dat beeld kwam langzaamaan verandering toen Copernicus aannemelijk maakte dat niet de
aarde, maar de zon in het middelpunt van het heelal zou staan. Langzaam maar zeker bleek dat
onze zon niet heel anders is dan alle andere sterren die we zien. Dankzij Edwin Hubble kwamen
we er zelfs achter dat ons sterrenstelsel slechts één van de miljarden stelsels is in het immens
uitgestrekte heelal.
Aan het begin van de twintigste eeuw leerden sterrenkundigen om met behulp van het Dopplereffect uit te rekenen hoe snel sterren en sterrenstelsels van ons af bewegen. Ze kwamen tot de
opvallende conclusie dat bijna alles wat we zien van ons af beweegt. De consequentie van die
vondst is dat het heelal uit moet dijen: zoals bij krenten in een rijzende krentenbol worden alle
afstanden in het heelal alsmaar groter. Dat betekent ook dat alles wat we zien ooit vanaf hetzelfde
punt moet zijn begonnen. De Oerknaltheorie was geboren, en het heelal was niet langer statisch.
Einstein rekende later met zijn algemene relativiteitstheorie uit dat een statisch heelal helemaal
niet mogelijk is. Volgens zijn berekeningen moet het heelal ofwel uitdijen, of ineen storten.
Einstein was niet blij met deze uitkomst, want hij geloofde vast dat het heelal statisch was.
Daarom bedacht hij een factor, de kosmologische constante, die ervoor zorgt dat het heelal niet in
elkaar stort. Maar langzaam maar zeker hoopte het bewijs voor een uitdijend heelal zich op, en in
1948 formuleerde George Gamow zijn hete Oerknaltheorie. Die theorie, waarin het universum is
ontstaan uit een enkel punt met een oneindig hoge energiedichtheid, is tot op heden de meest
aannemelijke uitleg van het ontstaan van het heelal.
Door de beweging van sterrenstelsels te meten en terug te rekenen waar ze vandaan komen kan je
de leeftijd van het heelal uitrekenen. Volgens de recentste inzichten is die leeftijd 13,7 miljard
jaar, bijna drie keer zo lang als de levensduur van onze zon. Maar hoe weten we nou of dit
allemaal klopt? Per slot van rekening is het niet mogelijk om terug in de tijd te reizen en de
Oerknal te bekijken. Vandaar dat de wetenschappers die zich met deze theorie bezighouden, de
kosmologen, voortdurend nieuwe experimenten bedenken waarmee ze hun theorie onderuit
zouden kunnen halen. Tot nu toe lijkt het erop dat we het bij het rechte eind hebben. Het wachten
is nu vooral op een natuurkundige theorie die de toestand van het heelal tijdens en in de allereerste
fractie van een seconde na de Oerknal kan beschrijven.
De Oerknal
Voor de Oerknal was er een enkel punt, een singulariteit, en in dat punt zat alle energie die nodig
was om het heelal op te bouwen. Er bestonden nog geen ruimte en tijd, en dus golden ook de
natuurwetten die we nu kennen nog niet.
Op een bepaald moment moet de singulariteit zijn begonnen met uitdijen. Hoewel we dit de
Oerknal noemen kan er geen geluid zijn geweest: er was immers ook nog geen lucht om in trilling
te brengen. In de eerste fase van het jonge heelal, de Planck-periode, zullen er processen hebben
plaatsgevonden waar we niets van begrijpen. De grote hoeveelheid energie die in een hele kleine
ruimte aanwezig was maakt het noodzakelijk om de zwaartekrachtsleer en
de kwantumnatuurkunde tegelijk toe te passen. Dat proberen natuurkundigen al heel lang,
bijvoorbeeld met de snaartheorie, maar het is nog nooit gelukt.
De inflatie-fase
In de fractie van een seconde na de Oerknal is, volgens recente berekeningen, het heelal veel
sneller gegroeid dan volgens onze natuurwetten mogelijk is. De theorie die dit beschrijft heet
de kosmische inflatietheorie, en hij stelt dat in deze fase van het jonge heelal de zwaartekracht
niet zo werkte als wij hem gewend zijn. In plaats van aantrekkend tussen twee voorwerpen zou de
zwaartekracht omgekeerd hebben gewerkt, waardoor alle energie en materie die net uit de
singulariteit werd weggeduwd elkaar heeft afgestoten. In een heel korte periode kan het heelal zo
met een factor 1030tot 10100 zijn gegroeid. Daarna begonnen de natuurwetten die we nu kennen zich
te stabiliseren.
Het ontstaan van deeltjes
Na 10-43 seconden (een 1 met 43 nullen ervoor) was het jonge heelal ver genoeg afgekoeld voor de
vorming van deeltjes. Dat waren in eerste instantie alleen piepkleine deeltjes die nodig zijn voor
de overdracht van krachten. Iets later werden de eerste quarks gevormd, die rond 10-10 seconden na
de Oerknal samen begonnen te klonteren tot protonen en neutronen. Tegelijkertijd werden de vier
fundamentele krachten van elkaar losgekoppeld: eerst de zwaartekracht, daarna de
elektromagnetische kracht, toen de zwakke kernkracht en tenslotte de sterke kernkracht.
Ergens in die beginfase is er iets vreemds gebeurd. De natuurwetten schrijven voor dat deeltjes en
antideeltjes (of antimaterie) even vaak gevormd moeten worden. Maar als we om ons heen kijken
zien we enorm veel materie, en bijna geen antimaterie. Waar die asymmetrie vandaan komt is nog
onduidelijk, maar er worden wel steeds meer aanwijzingen gevonden dat het heelal een lichte
voorkeur heeft voor materie boven antimaterie.
Het ontstaan van atomaire materie
Na honderd seconden was het heelal ver genoeg uitgedijd en afgekoeld om atomen te kunnen
vormen. Dat begon met simpele heliumkernen, tot na 1013 seconden (ongeveer 300.000 jaar) alle
materie was gevormd die er in ons heelal aanwezig is. Tijdens die periode ontstond een
tweedeling tussen materie en straling, en door het samenklonteren van materie werd het heelal
doorzichtig. Vandaar dat dit het eerste moment is waarnaar we terug kunnen kijken.
De kosmische microgolfachtergrond
Toen het heelal doorzichtig werd, was zijn temperatuur 3000 kelvin (3273 ºC). Inmiddels is het
heelal 1000 keer zo groot geworden, en de temperatuur van de straling die 300.000 jaar na de
Oerknal is uitgezonden is ongeveer 1000 keer zo laag geworden. Er moest dus in het heelal een
achtergrondstraling bestaan met een temperatuur van ongeveer 3 kelvin, voorspelden
wetenschappers in de jaren ’40. In 1965 werd die straling daadwerkelijk gevonden: door twee
radio-onderzoekers van Bell Labs.
Het donkere heelal
Toen alle materie er eenmaal was konden er sterren en sterrenstelsels gevormd worden. Daar was
nogal wat tijd voor nodig: de oudste sterren die we kennen zijn pas 400 miljoen jaar na de Oerknal
geboren. Eerst moest de materie die in het heelal aanwezig was zich onder invloed van de
zwaartekracht samen klonteren. Pas toen de dichtheid van die materie-ophopingen hoog genoeg
werd om sterren te vormen begon het heelal zijn huidige vorm aan te nemen.
Sterren en sterrenstelsels
De eerste sterren werden 400 miljoen jaar na de Oerknal gevormd, en daarmee was de kringloop
die we sterevolutie noemen begonnen. Een ster ontstaat, haalt zijn energie uit het waterstof en
helium in zijn kern, en implodeert aan het einde van zijn bestaan, waarbij de zware elementen die
hij heeft gemaakt naar de rest van het heelal worden uitgestoten. Daar vinden ze een plekje in een
nieuwe ster, of in een planeet die om die ster heen draait.
De zon en de aarde
Onze zon werd ‘pas’ 4,7 miljard jaar geleden geboren. Het is een redelijk grote ster, hoewel je
hem niet kunt vergelijken met de echte reuzensterren die wel 200 keer zo groot kunnen zijn. Onze
zon kenmerkt zich door een vrij uitgebreid planetenstelsel, waar de aarde deel van uitmaakt. Dat
planetenstelsel is waarschijnlijk ontstaan tijdens het ontstaan van de zon.
De materie waar de ster van gemaakt zou gaan worden werd door rotatie en zwaartekracht
afgeplat tot een pannenkoekvormige schijf. Behalve de grote ophoping van stof en gassen in het
midden (de zon) zijn er ook nog wat kleinere ophopingen in die schijf gevormd, waardoor er nu
planeten om onze ster draaien. Planetenstelsels zijn niet heel zeldzaam, maar lastig op te sporen
bij verre sterren.
De toekomst
Aan alles komt een einde… toch? Nou ja, van het heelal weten we dat nog niet zo zeker. Onze
zon zal wel ophouden te bestaan, waarschijnlijk over zo’n 5 tot 10 miljard jaar. De kern van de
zon bestaat uit lichte atomen, die door kernfusie langzaam samensmelten tot zwaardere atomen.
Uit die kernfusie haalt de zon zijn energie, waardoor hij warm blijft en niet door de zwaartekracht
in elkaar wordt geduwd. Maar het kernfusiemateriaal gaat op den duur op, en dan zijn de dagen
van de zon geteld.
Als de brandstof van de zon opraakt, zal hij minder fel gaan branden. Hij zal dus roder lijken.
Waterstof en helium raken op, en als dat gebeurt zal de zon opzwellen tot een gigantische rode
ster. In die fase zal de zon zo groot zijn, dat hij de aarde verzwelgt. Hij brandt dan snel bijna alle
overgebleven energie op, en de restjes zullen samenklonteren in een wit dwergsterretje, dat zwak
en stabiel nog vele miljarden jaren zal bestaan.
Voor die tijd moeten we dus maken dat we wegkomen van onze planeet – maar tien miljard jaar
moet ruim voldoende zijn om daarvoor een goede oplossing te vinden.