17 1 De ontwikkeling van het heelal (13,7 miljard – 4,6 miljard jaar geleden) We tollen allemaal samen rond op een kleine planeet in de ruimte en baden een stuk van elke dag in het licht en de warmte van een naburige ster die we ‘de zon’ noemen. Dagelijks leggen we 3.218.688 kilometer af rond het centrum van een sterrenstelsel dat ‘Melkweg’ heet, en dat op zijn beurt rondtolt in een universum met meer dan 100 miljard sterrenstelsels, ieder afzonderlijk de thuishaven van 100 miljard sterren (zie figuur 1). U bevindt zich hier Figuur 1. Het melkwegstelsel 18 | B I G H I S T O R Y . VA N D E O E R K N A L T O T VA N D A A G Dit heelal begon 13,7 miljard jaar geleden als één enkel stipje. Sindsdien is het blijven uitdijen en koelt het gestaag af. Ons universum telt minstens vier dimensies, drie ruimtelijke en één tijdsdimensie, wat betekent dat ruimte en tijd onderling verbonden zijn. Op dit moment is de grootte van het zichtbare heelal ruwweg 13,7 miljard lichtjaar in elk van de drie dimensies, vermenigvuldigd met 13,7 miljard jaar in de tijdsdimensie, en dijt het uit terwijl ik dit schrijf en u het leest. Al sinds hun ontstaan kijken menselijke wezens met ontzag en respect naar de oplichtende puntjes aan de nachtelijke hemel. De kennis die ze opdeden aan de hand van directe observaties gebruikten ze om voorspellingen te doen, het land te bereizen, en over de wateren te navigeren. Zonder gespecialiseerde instrumenten konden mensen echter weinig ontdekken over de oorsprong van ons onmetelijke heelal of over de aard van materie. Daarvoor verschilt zowel de schaal van het heelal als die van materie te veel van die van het dagelijks leven. Tegen het einde van de twintigste eeuw hadden wetenschappers instrumenten uitgevonden waarmee ze de macroscopische uitspansels en het microscopisch kleine begonnen te zien. Recent is onze kennis over deze werelden exponentieel gegroeid. Als we onze verbeelding gebruiken en de foto’s die tegenwoordig voorhanden zijn in ons opnemen, kunnen we nu allemaal dat wonderbaarlijke heelal waarin we wonen begrijpen.1 Mist en transparantie Het begon allemaal met een ongelooflijke gebeurtenis: de oerknal of Big Bang. Die naam werd voor het eerst gebruikt door de Britse astrofysicus Fred Hoyle tijdens een radio-uitzending op de BBC in 1952.2 Het heelal ontstond uit de explosie van één enkele kleine stip, misschien ter grootte van een atoom, waarin alle bekende materie, energie, ruimte en tijd met een onvoorstelbare dichtheid op elkaar geperst zaten. De samengedrukte ruimte ontrolde zich als een vloedgolf, breidde zich naar alle kanten uit en koelde af terwijl ze materie en energie met zich meevoerde. Die initiële expansie was krachtig genoeg om honderd miljard melkwegen 13,7 miljard lichtjaar ver weg te slingeren, en die afstand neemt nog steeds toe. Waar deed de Big Bang zich voor? Overal, D E O N T W I K K E L I N G VA N H E T H E E L A L | 19 inclusief daar waar elk van ons zich nu bevindt. In het begin bevonden alle plaatsen die we nu als afzonderlijk beschouwen zich immers op één en dezelfde plaats. Het heelal was aanvankelijk opgebouwd uit ‘kosmisch plasma’, een homogene substantie die zo heet was dat ze helemaal geen ons momenteel bekende structuur had. Bij een temperatuur van vele biljoenen graden zijn materie en energie onderling verwisselbaar. Niemand weet wat energie is, maar materie is gestolde energie. Toen het heelal afkoelde begonnen quarks, de kleinste elementaire materiedeeltjes die we kennen, samen te klonteren in groepjes van drie waarbij ze zowel protonen als neutronen vormden (zie figuur 2). atomen elektronen protonen, neutronen quark Figuur 2. Materiedeeltjes Materie is opgebouwd uit atomen die op hun beurt bestaan uit elektronen die rond een kern van protonen en neutronen cirkelen. Protonen en neutronen zijn opgebouwd uit quarks. Het is momenteel niet bekend of quarks uit nog kleinere deeltjes bestaan. Dat samenklonteren van quarks gebeurde ongeveer een honderdduizendste van een seconde na de oerknal, toen de temperatuur gedaald was tot ongeveer een miljoen keer heter dan nu in het binnenste van de zon. Een honderdste van een seconde later begonnen de protonen en neutronen zich aan elkaar vast te klemmen en vormden zo wat later de kern zou worden van waterstof en helium, de twee lichtste chemische elementen. 20 | B I G H I S T O R Y . VA N D E O E R K N A L T O T VA N D A A G Vooraleer er één seconde voorbij was, waren de vier fundamentele natuurkrachten die het gedrag en de toestand van materie bepalen al ontstaan: de gravitatiekracht, de elektromagnetische kracht, de sterke kernkracht en de zwakke kernkracht. De gravitatiekracht of zwaartekracht is de zwakste van de vier. Ze werd al beschreven door Newtons zwaartekrachttheorie en door Einsteins algemene relativiteitstheorie, maar ze kan nog steeds niet echt gedefinieerd worden. De elektromagnetische kracht is een samenspel van de elektrische en magnetische krachten. De sterke kernkracht, de sterkste van de vier, houdt de quarks binnenin protonen en neutronen opgesloten en houdt protonen en neutronen op hun beurt opgesloten in de atoomkern. De zwakke kernkracht brengt het verval van radioactieve elementen tot stand, ze veroorzaakt met andere woorden de desintegratie van atoomkernen. Wetenschappers denken dat de vier natuurkrachten verschillende aspecten zijn van een en dezelfde kracht, maar ze hebben totnogtoe geen allesomvattende theorie kunnen opstellen. Deze vier krachten werken harmonieus samen om het heelal te laten bestaan en te zorgen dat het gestaag kan uitdijen. Als de zwaartekracht een klein beetje sterker was, zou alle materie waarschijnlijk ineenstorten. Als ze daarentegen een beetje zwakker was, konden er zich geen atomen vormen. Als het heelal trager was afgekoeld, waren de protonen en neutronen misschien niet alleen samengeklonterd tot helium en lithium maar waren ze blijven samenklonteren, misschien wel tot ze ijzer vormden, wat te zwaar is om sterrenstelsels en sterren te doen ontstaan. De prachtige evenwichtsoefening die de natuurkrachten tentoonspreiden, lijkt de enige manier waarop het heelal zichzelf in stand kan houden. Wetenschappers vragen zich af of er misschien ooit andere universums waren, die niet stabiel waren en weer verdwenen, totdat het huidige heelal overleefde. Ons pasgeboren heelal ontvouwde zich razendsnel en ontwikkelde in een minuscule fractie van een seconde zijn fundamentele eigenschappen die sindsdien stabiel gebleven zijn. Terwijl het heelal verder uitdijde en afkoelde, vertraagden de woest rondtollende negatief geladen elektronen langzaam. De atoomkernen, gevormd door positieve protonen en neutrale neutronen, waren positief geladen. Na ongeveer 300.000 jaar, toen de elektronen genoeg vertraagd waren, konden de atoomkernen hen door hun tegengestelde D E O N T W I K K E L I N G VA N H E T H E E L A L | 21 elektrische lading aantrekken. Zo werden de eerste elektrisch neutrale atomen gevormd: waterstof (H) en helium (He), de lichtste elementen. De eerste materie was een feit. Waterstof bestaat uit één proton en één elektron, terwijl helium uit twee protonen en twee elektronen is opgebouwd. Dit werd een cruciaal moment in het verhaal van het heelal. Vóór de vorming van stabiele atomen zweefden er zoveel zigzaggende deeltjes in het heelal rond, sommige negatief, andere positief geladen, dat het licht er niet doorheen kon. Licht is namelijk opgebouwd uit subatomaire deeltjes die we fotonen noemen, en die fotonen reageren op elektrisch geladen deeltjes: ze worden ofwel afgebogen, ofwel geabsorbeerd. Als iemand het toen had kunnen zien, zou het heelal op een ondoordringbare mist of een verblindende sneeuwstorm geleken hebben. Vanaf het ogenblik dat de negatieve elektronen en de positieve protonen zich tot neutrale atomen bonden, hadden de lichtfotonen vrij spel. De dichte stralingsmist trok op, materie was een feit, en het heelal werd transparant. De totale omvang van het universum kwam in zicht. Had er inderdaad iemand geweest om het te aanschouwen, zou die een immense lege ruimte hebben gezien, vol reusachtige waterstof- en heliumwolken waardoor een enorme hoeveelheid energie stroomde. Tot op de dag van vandaag kunnen we overgebleven fotonen van de oerknal bewonderen, als ‘sneeuw’ op ons televisiescherm. Om dat te kunnen zien, moeten we de antennekabel loskoppelen en het toestel op een kanaal zonder ontvangst zetten. Ongeveer 1 procent van de ‘sneeuw’ die we dan zien, is een restant van het licht en de warmte van de oerknal die een kosmische zee van microgolfachtergrondstraling vormen.3 Als onze ogen gevoelig zouden zijn voor microgolven, wat niet het geval is, zouden we in de wereld om ons heen een diffuse gloed opmerken. Het gebruik van radiometers liet wetenschappers toe om de microgolfachtergrondstraling te documenteren. Tegen de jaren 1950-1960 realiseerden natuurkundigen zich dat volgens de toenmalige kennis het heelal vol oerfotonen zou moeten zitten, in de loop van 13,5 miljard jaar afgekoeld tot een paar graden boven het absolute nulpunt. De overblijvende achtergrondstraling werd in de lente van 1965 toevallig ontdekt door twee radioastronomen die voor Bell Laboratories in New 22 | B I G H I S T O R Y . VA N D E O E R K N A L T O T VA N D A A G Jersey werkten: Arno A. Penzias en Robert W. Wilson waren een nieuwe radioantenne voor communicatiesatellieten aan het testen toen ze op de achtergrond een sissend geluid hoorden. In 1989 lanceerde NASA de COBE-satelliet (Cosmic Background Explorer), die informatie verzamelde waaruit zeer nauwkeurig bleek dat er in elke kubieke meter van het heelal ongeveer 400 miljoen fotonen rondzweven met een temperatuur van 3 Kelvin (dat is -270,15 graden Celsius, net boven het absolute nulpunt van -273,15 graden Celsius). Ze vormen een onzichtbare kosmische zee van microgolfstraling, net zoals de oerknaltheorie voorspelde. In 2002 stuurde NASA de WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), een satelliet van bijna 5 meter lang, 1,5 miljoen kilometer van de aarde weg. De WMAP nam gedurende een jaar tijdopnames van het hele firmament en bracht de kosmische achtergrondstraling van 380.000 jaar na de oerknal gedetailleerd in kaart. Opnieuw werd het verhaal van de Big Bang bevestigd. Gelukkig voor de astronomen is afstand op kosmische schaal net een tijdmachine. Immers, hoe verder iets van ons verwijderd is, hoe langer de straling erover doet om ons te bereiken. Hierdoor zien we ver verwijderde dingen als jonger dan ze eigenlijk zijn. We kunnen het heelal dan ook nooit zien zoals het vandaag is, alleen zoals het ooit was. Want ook al reist het licht van verre sterrenstelsels en sterren met een snelheid van 9,6 biljoen kilometer per jaar, het duurt miljoenen en miljarden jaren voor het ons bereikt. Als we naar het heelal kijken, kijken we dus terug in de tijd. Door de microgolfstraling op te vangen, ‘kijken’ we terug tot bijna aan het ontstaan van het heelal (zie figuur 3). Stel het je zo voor: het licht van onze dichtstbijzijnde ster, de zon, doet er 8 minuten en 20 seconden over om ons te bereiken. We zien de zon dus eigenlijk zoals ze er 8 minuten en 20 seconden geleden uitzag. Het licht van Jupiter reist ongeveer 35 minuten als de planeet dichtbij staat en zowat een uur als ze het verst weg is. Het licht van Sirius, de helderste ster aan het nachtelijke firmament is 8,6 jaar naar ons onderweg. De afstand die het licht aflegt bedraagt hier 8,6 lichtjaar of zo’n 81 biljoen kilometer. Het licht van sterren die we zonder optische hulpmiddelen kunnen zien heeft tussen 4 en 4000 jaar nodig om ons te bereiken. Als D E O N T W I K K E L I N G VA N H E T H E E L A L | 23 Afstand tot de aarde in miljarden lichtjaren Heden Virgo Cluster De Lokale Groep Verste quasar Quasars Radiosterrenstelsels De Grote Muur 11,9 miljard 4 miljard Intergalactische wolken 1 miljard 13,4 13,7 300.000 0 Big Bang Actieve sterrentelsels M31 13,7 miljard 12 Stralingsperiode Sterren stelselclusters 9 Vorming van sterrenstelsels 4 Tijd na de Big Bang in jaren Figuur 3. Onze waarneming van het heelal Vanuit onze plaats in de Melkweg – een van de melkwegen in de Lokale Groep – zien we het heelal uit een ver verleden omdat het licht van verre melkwegen miljarden jaren onderweg is om ons te bereiken. In dat verre verleden was het heelal kleiner en botsten de sterrenstelsels vaker met elkaar. Quasars zijn ver van ons verwijderde objecten waarvan wetenschappers denken dat ze de kernen vormen van jongere sterrenstelsels, die mogelijk met elkaar in botsing zijn. we een ster zouden zien uitbarsten op een afstand van 3000 lichtjaren, dan deed die explosie zich 3000 jaar geleden voor, de tijd die het licht nodig had om ons te bereiken. Schitterende sterrenstelsels Zoals we net zagen, werd het heelal ongeveer 300.000 jaar na de oerknal transparant. Enorme waterstof- en heliumwolken zweefden rond tot ze uit elkaar barstten in zo’n biljoen afzonderlijke wolken, elk met een eigen dynamica (bewegingswetten). Die zorgde ervoor dat de dia- 24 | B I G H I S T O R Y . VA N D E O E R K N A L T O T VA N D A A G meter van elke wolk constant bleef. Omdat het heelal als geheel bleef uitdijen, betekende dit dat de ruimte tussen de wolken toenam. Terwijl het heelal afkoelde en tot rust kwam, werd elke afzonderlijke waterstof- en heliumwolk een apart sterrenstelsel, bij elkaar gehouden door de zwaartekracht. Waterstof- en heliumatomen botsten op elkaar en de wrijving die daar het gevolg van was, veroorzaakte zo’n hoge temperaturen dat de atomen hun elektronen kwijtspeelden. De waterstofkernen begonnen te versmelten en vormden zo heliumionen, geladen heliumatomen. Door deze kernfusie kwam een enorme hoeveelheid warmte en energie vrij, overeenkomstig Einsteins vergelijking E = mc2. De massa die bij de fusie verloren gaat, hoe klein ook, wordt immers omgezet in een hoeveelheid energie gelijk aan die massa vermenigvuldigd met het kwadraat van de lichtsnelheid (die 300.000 kilometer per seconde bedraagt!). Als waterstof begint op te branden, worden per seconde miljoenen tonnen materie omgezet in een reusachtige hoeveelheid energie: een ster wordt geboren. De eerste sterren ontstonden al 200.000 jaar na de oerknal. Het heelal bevat een enorm aantal objecten die we kunnen classificeren aan de hand van hun massa. De grootste objecten zijn sterren, die hun eigen energie produceren. De massa van de grootste sterren is twintig keer zo groot als de massa van onze ster, de zon. De kleinste rondzwevende objecten in het heelal zijn stofdeeltjes die alleen met een microscoop zichtbaar zijn. Ze dwarrelen onze aardse atmosfeer binnen naar rato van honderd ton per dag. Waarschijnlijk bevat het slib in de dakrand van elk huis een minieme hoeveelheid sterrenstof. Planeten zijn middelgrote objecten. Ze hebben niet genoeg massa om door waterstoffusie hun eigen energie aan te maken. Sterren verschillen ongelooflijk veel in grootte en dichtheid en kunnen door de tijd heen van type veranderen. De meeste sterren in onze buurt zijn rode dwergsterren, maar de ster die we het beste kennen, onze zon, is een stabiele gele dwerg die waterstof verbrandt, wat, zoals we al zagen, waterstoffusie genoemd wordt. Als over ongeveer 5 miljard jaar alle waterstof opgebrand is, zal onze zon overstappen op heliumfusie, het verbranden van helium. Omdat dit een heter proces is waarbij meer energie vrijkomt, zal de druk van de extra energie de zon doen opzwellen tot wat een rode reus genoemd wordt. Als alle helium- D E O N T W I K K E L I N G VA N H E T H E E L A L | 25 brandstof opgebruikt is, zal de rode reus ineenstorten tot er een witte dwerg overblijft. Die zal langzaam afkoelen tot er niets meer rest dan een sintel: een zwarte dwerg die ongeveer zo groot is als de aarde maar met 200.000 maal de massa van onze planeet. Tot nog toe is geen enkele zwarte dwerg waargenomen omdat het heelal nog niet oud genoeg is opdat een witte dwerg zijn trage afkoelingsproces al helemaal doorlopen zou hebben. De gele dwergen die al van bij hun ontstaan groter zijn dan onze zon, worden ook grotere rode reuzen dan onze zon zal worden. Als hun rode reuzenfase voorbij is, krimpen ze niet tot witte dwergen. In hun binnenste ontstaan en verbranden zwaardere elementen, onder meer koolstof, stikstof, zuurstof, magnesium, en uiteindelijk ijzer. Maar ijzer kan niet als sterrenbrandstof gebruikt worden. De energieproductie stopt dan ook en de zwaartekracht neemt het over. De kern van de ster implodeert en veroorzaakt een enorme explosie in de buitenste lagen waarbij het grootste gedeelte van de ster uit elkaar spat. Zo’n explosieve zelfvernietiging noemt men een supernova. Enkel de kern overleeft, ofwel als een neutronenster (klein en met een ongelooflijke dichtheid) ofwel als een zwart gat, een object met een nog grotere dichtheid zodat zelfs licht niet aan zijn zwaartekrachtveld kan ontsnappen. Een supernova resulteert in een zwart gat als een ster van meer dan tien zonnemassa’s explodeert. De geïmplodeerde kern die overblijft is dan groter dan vier zonnemassa’s, waardoor de zwaartekracht zo sterk is dat alle materie verdwijnt en er enkel een zwart gat overblijft. Het centrum van een zwart gat wordt een singulariteit genoemd, en een zwart gat dat ontstaat uit een ster van tien zonnemassa’s, heeft een diameter van slechts 64 kilometer. Rond de singulariteit heerst een zwaartekrachtveld dat zo sterk is dat alles wat erin terechtkomt, ook licht, in het gat verdwijnt. Dit zwaartekrachtveld wordt daarom de waarnemingshorizon genoemd. Waar de materie die in het zwart gat terechtkomt, naartoe gaat, weet niemand. Astronomen vermoeden dat er in het centrum van de meeste sterrenstelsels enorme zwarte gaten bestaan, net zoals er in het hart van onze Melkweg één lijkt te zijn: Sagittarius A*, zo genoemd omdat het zich in het sterrenbeeld Boogschutter (Sagittarius) zou bevinden. Het bestaan van dit zwarte gat met een massa van meer dan zes zonnemassa’s werd 26 | B I G H I S T O R Y . VA N D E O E R K N A L T O T VA N D A A G in 2002 bevestigd door wetenschappers die in de Atacamawoestijn in Chili al meer dan tien jaar met de Very Large Telescope werken. Supernova’s spelen een hoofdrol in het scheppende vermogen van het heelal. Het zijn de kosmische smeltovens die nieuwe elementen voortbrengen. Gigantische supernova’s worden zwarte gaten. Kleinere supernova’s, ontstaan uit sterren met een massa tussen drie en zes zonnemassa’s, storten na hun uitbarsting niet volledig in elkaar. In de gloeiende kernen van zo’n sterren verbrandt waterstof tot helium, waarna helium verbrandt tot koolstof. Kernfusie levert almaar grotere kernen op: zuurstof, calcium en verder doorheen het periodiek systeem van elementen. Op een bepaald moment doet zich een explosie voor – de supernova – waarbij het grootste gedeelte van de ster als gas de ruimte in gespuwd wordt. Dat gas bevat nu echter niet enkel waterstof en helium meer, maar ook complexe atomen die leven in stand kunnen houden. Omdat er geen zwart gat gevormd wordt, kunnen die atomen vrij door de ruimte zwermen. Alleen supernova’s kunnen zwaardere elementen dan ijzer voortbrengen. Zo werden geleidelijk aan, over een periode van ruwweg 9 miljard jaar, alle elementen van het periodiek systeem opgebouwd. Elk stukje goud op onze planeet ontstond in reuzensterren die explodeerden voordat de zon geboren was. Het goud in de ring aan je vinger moet meer dan 4,5 miljard jaar oud zijn. Zo schiepen sterrenexplosies de elementen die het leven op aarde mogelijk maken. Ook wij bestaan letterlijk uit sterrenstof. Om op ons groot verhaal terug te komen: verscheidene honderdduizenden jaren na de oerknal klonterden sterrenstelsels samen toen dichtheidsgolven door de ruimte trokken en de waterstof- en heliumwolken zodanig door elkaar schudden dat ze sterren vormden. Het heelal begon te schitteren met miljarden sterren die rondzweefden in ragfijne draden van wervelende spiralen. De meeste sterrenstelsels namen een spiraalvorm aan, maar in het nog jonge en dus relatief kleine heelal zat de materie dicht op elkaar waardoor de sterrenstelsels vaak tegen elkaar aanbotsten. Het grootste stelsel slorpte dan het kleinste op, waardoor de spiraalvorm voorgoed verdween. In plaats daarvan kreeg het sterrenstelsel een bol- of een ellipsvorm. Elliptische sterrenstelsels brengen geen nieuwe sterren voort omdat de dichtheidsgolven zich D E O N T W I K K E L I N G VA N H E T H E E L A L | 27 er geen weg doorheen kunnen banen om de gaswolken in het stelsel zo door elkaar te schudden dat er nieuwe sterren gevormd worden. Onze Melkweg is een perfecte spiraal door het gelukkige toeval dat het zich ongeveer 12 miljard jaar geleden in een minder dicht opeengepakt gebied van het jonge heelal bevond. Gedurende de eerste 9 miljard jaar van zijn bestaan was het heelal een onvoorstelbaar hemels vuurwerk. Sterrenstelsels draaiden rond en botsten met elkaar. Dichtheidsgolven drongen door de sterrenstelsels heen waardoor nieuwe sterren werden gevormd. Supernova’s explodeerden en verspreidden daarbij in gasvorm nieuwe elementen die door andere supernova’s tot sterrenvorming werden gedreven, of ze implodeerden tot zwarte gaten waarbij hun materie naar wie weet waar verdween. Al die tijd dijde het heelal uit en koelde het af. Het was een dans die tussen dood en opstanding schommelde, tussen vernietiging en elegantie, een dans waarin verpletterende kracht en destructie afwisselden met oogverblindende schoonheid en creativiteit. De zon / the sun / el sol / helios / die Sonne Ongeveer 4,6 miljard jaar geleden explodeerde er in de Melkweg een supernova en een nieuwe ster, onze zon, kwam uit de brokstukken tevoorschijn. We weten dit omdat maangesteente en meteorieten, die tijdens die supernova ontstonden, allemaal ongeveer 4,56 miljard jaar oud zijn. De zon was buitengewoon groot en helder en behoorde tot de top vijf van de sterren in ons sterrenstelsel. Ze onderscheidde zich ook doordat ze geen begeleider had en dus geen dubbelster was (ongeveer twee derde van de sterren in ons gedeelte van de Melkweg zijn meervoudig). De zon bevindt zich ongeveer halverwege op een van de spiraalarmen van de Melkweg, op ongeveer 30.000 lichtjaar van het centrum. Ze draait met een snelheid van zo’n 321.000 kilometer per dag in ongeveer 225 tot 250 miljoen jaar rond het centrum van ons sterrenstelsel, in een elliptische baan. Samen met haar planeten en de andere hemellichamen in haar stelstel – dat om evidente redenen ‘zonnestelsel’ heet – heeft ze dat sinds haar ontstaan al ongeveer twintig keer gedaan. De omvang van