In het begin breidde het heelal zich heel, heel snel uit.
(Afbeelding: © Flickr / Jamie, CC BY-SA)
Paul Sutter is astrofysicus aan de Ohio State University en de hoofdwetenschapper aan het COSI science center. Sutter is ook gastheer van Ask a Spaceman en Space Radio en leidt AstroTours over de hele wereld. Sutter droeg dit artikel bij aan Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Op 13,8 miljard jaar geleden was ons hele waarneembare heelal zo groot als een perzik en had het een temperatuur van meer dan een biljoen graden.
Dat is een vrij eenvoudige, maar zeer gewaagde verklaring om te maken, en het is geen verklaring die licht of gemakkelijk wordt gemaakt. Inderdaad, zelfs honderd jaar geleden zou het ronduit belachelijk klinken, maar hier zijn we, het zeggen alsof het geen probleem is. Maar zoals met alles in de wetenschap, zijn eenvoudige uitspraken als deze opgebouwd uit bergen van meerdere onafhankelijke bewijslijnen die allemaal op dezelfde conclusie wijzen - in dit geval de oerknal, ons model van de geschiedenis van ons universum. [The Universe: Big Bang to Now in 10 Easy Steps]
Maar, zoals ze zeggen, neem mijn woord er niet voor. Hier zijn vijf bewijzen voor de oerknal:
# 1: De nachtelijke hemel is donker
Stel je eens voor dat we in een perfect oneindig universum leefden, zowel in tijd als in ruimte. De glinsterende sterrencollecties gaan eeuwig door in elke richting, en het universum is altijd geweest en zal dat altijd blijven. Dat zou betekenen dat waar je ook maar in de lucht keek - kies gewoon een willekeurige richting en staar - je zou ergens daar ergens op enige afstand een ster vinden. Dat is het onvermijdelijke resultaat van een oneindig universum.
En als datzelfde universum voor altijd bestaat, dan is er voldoende tijd voor het licht van die ster, die met een relatief lage snelheid van c door de kosmos kruipt om je oogballen te bereiken. Zelfs de aanwezigheid van tussenliggend stof zou het geaccumuleerde licht van een oneindig aantal sterren verspreid over een oneindig grote kosmos niet verminderen.
Ergo, de lucht moet in vuur en vlam staan met het gecombineerde licht van een veelheid aan sterren. In plaats daarvan is het meestal donker. Leegte. Nietig. Zwartheid. Weet je, ruimte.
De Duitse natuurkundige Heinrich Olbers was misschien niet de eerste die deze schijnbare paradox opmerkte, maar zijn naam bleef bij het idee: het staat bekend als de paradox van Olbers. De simpele resolutie? Ofwel het universum is niet oneindig groot of het is niet oneindig in tijd. Of misschien is het ook niet.
# 2: Quasars bestaan
Zodra onderzoekers in de jaren vijftig en zestig gevoelige radiotelescopen ontwikkelden, zagen ze vreemd luide radiobronnen in de lucht. Door aanzienlijke astronomische speurtochten hebben de wetenschappers vastgesteld dat deze quasi-stellaire radiobronnen, of 'quasars', ver weg gelegen maar ongewoon heldere, actieve sterrenstelsels waren.
Het belangrijkste voor deze discussie is het "zeer verre" deel van die conclusie.
Omdat licht tijd nodig heeft om van de ene plaats naar de andere te reizen, zien we geen sterren en sterrenstelsels zoals ze nu zijn, maar zoals ze duizenden, miljoenen of miljarden jaren geleden waren. Dat betekent dat dieper in het universum kijken ook dieper in het verleden kijkt. We zien veel quasars in de verre kosmos, wat betekent dat deze objecten miljarden jaren geleden heel gewoon waren. Maar er zijn nauwelijks quasars in onze lokale, up-to-date buurt. En ze komen in het verre (dat wil zeggen, jonge) universum veel voor dat we veel meer in onze omgeving zouden moeten zien.
De simpele conclusie: het universum was in zijn verleden anders dan nu.
# 3: Het wordt groter
We leven in een groeiend universum. Sterrenstelsels komen gemiddeld steeds verder weg van alle andere sterrenstelsels. Natuurlijk gebeuren er enkele kleine lokale botsingen door overgebleven gravitatie-interacties, zoals hoe de Melkweg over een paar miljard jaar met Andromeda gaat botsen. Maar op grote schaal geldt deze eenvoudige, expansieve relatie. Dit ontdekte astronoom Edwin Hubble in het begin van de 20e eeuw, kort nadat hij ontdekte dat 'sterrenstelsels' eigenlijk iets waren. [Melkweg Galaxy's frontale crash met Andromeda: Artist Images]
In een groeiend universum zijn de regels eenvoudig. Elk sterrenstelsel wijkt af van (bijna) elk ander sterrenstelsel. Licht van verre sterrenstelsels zal rood worden verschoven - de golflengten van het licht dat ze vrijgeven zullen langer worden en dus roder worden vanuit het perspectief van andere sterrenstelsels. Je zou in de verleiding kunnen komen te denken dat dit te wijten is aan de beweging van individuele sterrenstelsels die door het universum versnellen, maar de wiskunde klopt niet.
De hoeveelheid roodverschuiving voor een specifiek sterrenstelsel hangt samen met hoe ver het is verwijderd. Dichtere sterrenstelsels zullen een bepaalde hoeveelheid roodverschuiving krijgen. Een sterrenstelsel dat tweemaal zo ver weg is, krijgt tweemaal die roodverschuiving. Vier keer de afstand? Dat klopt, vier keer de roodverschuiving. Om dit uit te leggen met alleen maar rondrennende sterrenstelsels, moet er een heel vreemde samenzwering zijn waarbij alle galactische burgers van het universum ermee instemmen om in dit zeer specifieke patroon te bewegen.
In plaats daarvan is er een veel eenvoudigere verklaring: de beweging van sterrenstelsels is te wijten aan het uitrekken van ruimte tussen die sterrenstelsels.
We leven in een dynamisch, evoluerend universum. Het was in het verleden kleiner en zal in de toekomst groter worden.
# 4: De relikwie-straling
Laten we een spelletje spelen. Stel dat het universum in het verleden kleiner was. Dat betekent dat het zowel dichter als heter zou zijn geweest, toch? Juist - alle inhoud van de kosmos zou in een kleinere ruimte zijn gebundeld en hogere dichtheden betekenen hogere temperaturen.
Op een gegeven moment, toen het universum bijvoorbeeld een miljoen keer kleiner was dan nu, zou alles zo in elkaar zijn geslagen dat het een plasma zou zijn. In die toestand zouden elektronen niet gebonden zijn aan hun nucleaire gastheren en vrij zijn om te zwemmen, al die materie baadt in intense, hoogenergetische straling.
Maar toen dat jonge universum zich uitbreidde, zou het zijn afgekoeld tot een punt waarop plotseling plotseling elektronen comfortabel rond kernen zouden kunnen neerslaan, waardoor de eerste volledige atomen van waterstof en helium zouden ontstaan. Op dat moment zou de waanzinnig intense straling ongehinderd door het nieuwe dunne en transparante universum zwerven. En terwijl dat universum zich uitbreidde, zou licht dat letterlijk witgloeiend was, tot een paar graden boven het absolute nulpunt zijn afgekoeld, gekoeld, gekoeld, waardoor de golflengten stevig in het microgolfbereik waren geplaatst.
En wat zien we als we onze microgolftelescopen op de lucht richten? Een bad van achtergrondstraling dat ons aan alle kanten omringt en bijna perfect uniform is (voor een deel op 100.000!) In alle richtingen. Een babyfoto van het universum. Een ansichtkaart uit een lang geleden tijdperk. Licht uit een tijd die bijna net zo oud is als het universum zelf.
# 5: het is elementair
Duw de klok nog verder terug dan de vorming van de kosmische microgolfachtergrond, en op een gegeven moment zijn de dingen zo intens, zo gek dat er zelfs geen protonen en neutronen bestaan. Het is gewoon een soep van hun fundamentele delen, de quarks en gluonen. Maar nogmaals, toen het universum zich uitbreidde en afkoelde van de hectische eerste paar minuten van zijn bestaan, stolden en vormden de lichtste kernen, zoals waterstof en helium.
We hebben tegenwoordig een behoorlijk goede greep op de kernfysica en we kunnen die kennis gebruiken om de relatieve hoeveelheid van de lichtste elementen in ons universum te voorspellen. De voorspelling: die stollende soep had ongeveer driekwart van de waterstof, een vierde van het helium en een beetje 'ander' moeten voortbrengen.
De uitdaging ligt dan bij de astronomen, en wat vinden ze? Een universum dat grofweg bestaat uit driekwart waterstof, een vierde helium en een kleiner percentage 'andere'. Bingo.
Er is natuurlijk ook meer bewijs. Maar dit is slechts het startpunt voor ons moderne Big Bang-beeld van de kosmos. Meerdere onafhankelijke bewijslijnen wijzen allemaal op dezelfde conclusie: ons universum is ongeveer 13,8 miljard jaar oud, en ooit was het zo groot als een perzik en had het een temperatuur van meer dan een biljoen graden.
Lees meer door te luisteren naar de aflevering "Wat gebeurt er als sterrenstelsels botsen?" op de Ask A Spaceman-podcast, beschikbaar op iTunes en op het web op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan Mike D., Tripp B., Sedas S., Isla en Patrick D. voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter te volgen. Volg ons @Spacedotcom, Facebook en Google+. Origineel artikel op Space.com.
