Roodverschuiving De uitdijing van het heelal

pril heelal Langbelichte foto’s van de Hubble Space Telescope
bieden een blik op de prille jeugd van het heelal.
HFDST 18
de evolutie van het heelal
het heelal
226
deel 6
hfdst 18 de evolutie van het heelal
De uitdijing van het heelal
Roodverschuiving
n 1923 ontdekte de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble de ware aard van sterrenstelsels: gigantische verzamelingen van sterren ver buiten ons eigen Melkwegstelsel (zie pag. 214). In de jaren daarna werden van sommige van
die sterrenstelsels de snelheden gemeten. Tot ieders verbazing bleken vrijwel alle sterrenstelsels van het Melkwegstelsel af te bewegen. Bovendien was die ‘vluchtsnelheid’ groter
voor de kleine, zwakke sterrenstelsels, waarvan kon worden
aangenomen dat ze op grotere afstand staan.
In januari 1929 publiceerde Hubble een baanbrekend artikel
in de Proceedings of the National Academy of Sciences waarin
hij de waarnemingen verklaarde door aan te nemen dat het
heelal uitdijt. Alle afstanden in het heelal (althans op grote
schaal) worden steeds groter, waardoor alle sterrenstelsels
zich van het Melkwegstelsel af lijken te bewegen. Het Melkwegstelsel neemt echter geen bijzondere plaats in: ook vanuit elk ander punt in het heelal zie je alle sterrenstelsels van
je af bewegen. In zo’n uitdijend heelal is automatisch sprake
van een evenredig verband tussen afstand en waargenomen
vluchtsnelheid.
De evenredigheidsconstante tussen afstand en vluchtsnelheid wordt de Hubbleconstante (H0) genoemd. Volgens de
meest recente metingen bedraagt die 71 kilometer per seconde per megaparsec: een sterrenstelsel op een afstand van één
e vluchtsnelheid van een sterrenstelsel wordt afgeleid uit de roodverschuiving in het spectrum (zie pag.
38). De roodverschuiving is vergelijkbaar met het
bekende dopplereffect voor geluid. Wanneer een geluidsbron van je af beweegt, hoor je een lagere toon (een lagere
frequentie, oftewel een langere golflengte) dan wanneer hij
naar je toe beweegt. Het dopplereffect is opvallender naarmate de snelheid van de geluidsbron hoger is.
Voor licht geldt hetzelfde: als een ster van ons af beweegt,
komt het licht van die ster met een iets langere golflengte
(een iets rodere kleur) op aarde aan. Het effect is meestal
maar klein, omdat de lichtsnelheid zo hoog is (300.000 kilometer per seconde; ruim 900.000 keer zo hoog als de geluidssnelheid). Om de roodverschuiving van een hemellichaam
te bepalen is een gevoelige spectrograaf nodig waarmee de
golflengteverschuiving van de spectraallijnen kan worden
gemeten.
Wanneer een spectraallijn normaal gesproken een golflengte
heeft van 600 nanometer, maar waargenomen wordt op
een golflengte van 660 nanometer, is er sprake van een golflengteverschuiving van tien procent. De roodverschuiving
(aangegeven met de letter z) bedraagt dan 0,1. Wanneer de
waargenomen golflengte 900 nanometer is, is de roodverschuiving z = 0,5; bij z = 1 hoort een waargenomen golflengte
I
megaparsec (1 Mpc, ofwel 3,26 miljoen lichtjaar) heeft een
vluchtsnelheid van 71 km/s; een stelsel op een afstand van 10
Mpc heeft een snelheid van 710 km/s.
De uitdijing van het heelal moeten we ons niet voorstellen als
het uiteenbewegen van sterrenstelsels door een bestaande,
statische ruimte. In plaats daarvan is het de lege ruimte zélf
die uitdijt en daarbij de sterrenstelsels met zich meevoert.
Een veel gemaakte vergelijking is die van een gestippelde
ballon die wordt opgeblazen. Het oppervlak van de ballon
stelt de (uitdijende) ruimte voor. De stippen op de ballon zijn
de sterrenstelsels. Als de ballon wordt opgeblazen, nemen
alle afstanden tussen de stippen toe.
Op welke stip je je ook bevindt, altijd
zie je alle andere stippen van je af
bewegen.
Een andere populaire vergelijking
is die van het rijzende rozijnenbrood, waarbij de rozijnen de sterrenstelsels voorstellen en het deeg
de uitdijende ruimte is. Net als in
het echte heelal is er in zo’n rijzend
rozijnenbrood sprake van een evenredig verband tussen afstand en
verwijderingssnelheid.
+ + + Een uitdijend heelal hoeft geen rand te hebben. Ook in een oneindig heelal kunnen alle onderlinge afstanden toenemen.
D
227
van 1200 nanometer.
In het geval van sterrenstelsels kunnen we ons de roodverschuiving beter voorstellen als een effect van de uitdijing
van het heelal. Licht wordt met een bepaalde golflengte uitgezonden, maar door de uitdijing van het heelal worden de
lichtgolven tijdens hun reis door de ruimte uitgerekt, waardoor ze met een langere golflengte op aarde aankomen. Hoe
groter de afstand tot het sterrenstelsel, des te langer is de
reistijd, en des te sterker worden de lichtgolven uitgerekt. Op
die manier is de roodverschuiving in het spectrum van een
sterrenstelsel een directe maat voor de reistijd van het licht,
en dus voor de afstand tot het stelsel.
uitgezonden spectrum
roodverschoven spectrum
lichtgolven worden
uitgerekt door de
uitdijing van het heelal
+ + + Vanwege de sterke roodverschuiving zijn de allerverste sterrenstelsels alleen met een infraroodtelescoop te zien. + + +
kosmische levensloop Kwantumfluctuaties tijdens de oerknal
groeiden uit tot sterrenstelsels en clusters.
nagebootst heelal Computersimulaties laten zien hoe kleine dichtheids­
verschillen uitgroeiden tot een draderig netwerk van superclusters.
het heelal
228
deel 6
De oerknaltheorie
T
oen Edwin Hubble in 1929 de uitdijing van het heelal
ontdekte (zie pag. 226), repte hij met geen woord over
de implicaties van die vondst. Het was de Belgische astronoom en jezuïetenpriester Georges Lemaître (1894-1966)
die als eerste de conclusie trok dat het uitdijende heelal lang
geleden veel compacter geweest moet zijn en misschien is
hfdst 18 de evolutie van het heelal
oerknalvaders Edwin Hubble
Tientallen jaren lang werd de oerknaltheorie beschouwd als
een interessante maar vrijwel onbewijsbare hypothese. Daar
kwam in de loop van de jaren zestig verandering in. Metingen
aan de hoeveelheden helium, deuterium (zwaar waterstof)
en lithium in het heelal bleken nauwkeurig overeen te komen
met de voorspellingen van de oerknaltheorie. Zonder een
extreem hete, compacte beginfase van het heelal zijn de
gemeten hoeveelheden niet te verklaren. En waarnemingen
aan verre radiosterrenstelsels (zie pag. 219) lieten er geen
twijfel over bestaan dat het heelal er lang geleden anders
uitzag dan tegenwoordig, zodat Hoyles idee van een eeuwig
en onveranderlijk heelal niet langer houdbaar was.
De belangrijkste ondersteuning voor de oerknaltheorie
was de toevallige ontdekking, in 1965, van de kosmische
achtergrondstraling (zie pag. 230): een zwakke
alomtegenwoordige radioruis die beschouwd wordt als het
verdunde en afgekoelde restant van de energierijke straling
van de oerknal.
het heelal; de jezuïet Georges
De moderne oerknaltheorie
het idee van een oerexplosie.
Volgens de huidige versie van de oerknaltheorie
ontstond het heelal ca. 13,7 miljard jaar geleden uit een
extreem kleine, supercompacte samenballing van pure
ontstaan uit de explosie van een soort oeratoom.
George Gamow (1904-1968) werkte Lemaîtres ideeën verder
uit. Hij realiseerde zich dat het jonge, compacte heelal zo
heet moet zijn geweest dat er spontane kernfusiereacties
optraden. Zo ontstond de theorie van de hot big bang (de hete
oerknal), waarbij – althans volgens Gamow – alle elementen
in het heelal werden gevormd.
De naam big bang werd overigens pas in 1949 geïntroduceerd
door de Britse astronoom Fred Hoyle (1915-2001), die niet in
de oerknaltheorie geloofde en samen met enkele collega’s
aantoonde dat vrijwel alle zware elementen in de natuur
gevormd zijn bij kernfusiereacties in het hete inwendige van
sterren. Alleen de grote hoeveelheid helium in het heelal kon
Hoyle niet verklaren.
(links) ontdekte de uitdijing van
Lemaître kwam als eerste met
+ + + Fred Hoyle introduceerde de term ‘big bang’ in 1949 tijdens een radiopraatje voor de bbc, om de oerknaltheorie belachelijk
te maken. De naam sloeg echter aan en wordt nog steeds gebruikt. + + +
energie. Na een zeer korte periode van exponentiële
versnelling (het inflatietijdperk), veroorzaakt door de
kwantumeigenschappen van de lege ruimte, ontstonden
de eerste elementaire deeltjes (waaronder quarks en
elektronen) en kwam de huidige ‘lineaire’ uitdijing van het
heelal op gang. Quarks voegden zich samen tot neutronen
en protonen (waterstofkernen) en na drie minuten waren
er ook kernen van helium, deuterium en lithium ontstaan.
Pas na een kleine 400.000 jaar ontstonden de eerste
neutrale atomen en werd de kosmische achtergrondstraling
geproduceerd. Uit kleine dichtheidsfluctuaties in de
afkoelende oermaterie vormden zich later de sterrenstelsels.
De oerknal moeten we ons niet voorstellen als een explosie
die op een bepaald tijdstip ergens in een leeg heelal
plaatsvond. Zowel ruimte als tijd ontstonden bij de oerknal,
evenals materie en energie. Het heeft dan ook geen zin om
te vragen wat er vóór de oerknal was. Jammer genoeg zijn de
huidige natuurkundetheorieën niet in staat om het feitelijke
scheppingsmoment te beschrijven. De oerknaltheorie blijft
daarmee een betrekkelijk ongrijpbare theorie, ook al wordt
aan de hete, compacte beginfase van het heelal nauwelijks
meer getwijfeld.
229