Kosmologen zijn intellectuele tijdreizigers. Terugkijkend op miljarden jaren zijn deze wetenschappers in staat om de evolutie van ons heelal tot verbazingwekkende details te volgen. In de daaropvolgende aionen is onze kosmos zo groot geworden dat we de andere kant ervan niet meer kunnen zien.
Maar hoe kan dit zijn? Als de snelheid van licht een kosmische snelheidslimiet markeert, hoe kunnen er dan mogelijk gebieden van de ruimtetijd zijn waarvan de fotonen voor altijd buiten ons bereik zijn? En zelfs als die er zijn, hoe weten we dan dat ze überhaupt bestaan?
Het uitbreidende universum
Net als al het andere in de natuurkunde, streeft ons universum ernaar te bestaan in de laagst mogelijke energietoestand. Maar rond 10-36 seconden na de oerknal geloven inflatoire kosmologen dat de kosmos in plaats daarvan rustte op een "valse vacuüm-energie" - een dieptepunt dat niet echt een dieptepunt was. Op zoek naar het echte dieptepunt van vacuümenergie, over een minuut fractie van een moment, wordt aangenomen dat het heelal een factor 10 is opgeblazen50.
Sinds die tijd is ons universum blijven uitbreiden, maar in een veel langzamer tempo. We zien bewijs van deze uitbreiding in het licht van verre objecten. Naarmate fotonen die door een ster of sterrenstelsel worden uitgezonden, zich door het heelal voortplanten, verliezen ze door het uitrekken van de ruimte energie. Zodra de fotonen ons bereiken, zijn hun golflengten rood verschoven in overeenstemming met de afstand die ze hebben afgelegd.
Daarom spreken kosmologen over roodverschuiving als functie van afstand in zowel ruimte als tijd. Het licht van deze verre objecten reist al zo lang dat we, als we het eindelijk zien, de objecten zien zoals ze miljarden jaren geleden waren.
Het Hubble-volume
Met roodverschoven licht kunnen we objecten zoals sterrenstelsels zien zoals ze in het verre verleden bestonden; maar we kunnen niet zien allemaal gebeurtenissen die plaatsvonden in ons heelal tijdens zijn geschiedenis. Omdat onze kosmos zich uitbreidt, is het licht van sommige objecten gewoon te ver weg om ooit te zien.
De fysica van die grens is gedeeltelijk afhankelijk van een deel van de omringende ruimtetijd dat het Hubble-volume wordt genoemd. Hier op aarde definiëren we het Hubble-volume door iets te meten dat de Hubble-parameter wordt genoemd (H0), een waarde die de schijnbare recessiesnelheid van verre objecten relateert aan hun roodverschuiving. Het werd voor het eerst berekend in 1929, toen Edwin Hubble ontdekte dat verre sterrenstelsels van ons weg leken te bewegen met een snelheid die evenredig was met de roodverschuiving van hun licht.
De lichtsnelheid delen door H0krijgen we het Hubble-volume. Deze bolvormige bel omsluit een gebied waar alle objecten met een snelheid lager dan de lichtsnelheid van een centrale waarnemer weg bewegen. Dienovereenkomstig bewegen alle objecten buiten het Hubble-volume weg van het middensneller dan de lichtsnelheid.
Ja, 'sneller dan de lichtsnelheid'. Hoe is dit mogelijk?
De magie van relativiteit
Het antwoord heeft te maken met het verschil tussen speciale relativiteit en algemene relativiteit. Speciale relativiteit vereist een zogenaamd 'traagheidsreferentiekader' - eenvoudiger gezegd een achtergrond. Volgens deze theorie is de lichtsnelheid hetzelfde in alle traagheidsreferentieframes. Of een waarnemer nu stil zit op een bankje op planeet Aarde of langs Neptunus zoeft in een futuristisch raket met hoge snelheid, de lichtsnelheid is altijd hetzelfde. Een foton beweegt altijd weg van de waarnemer met 300.000.000 meter per seconde, en hij of zij zal nooit inhalen.
Algemene relativiteit beschrijft echter het weefsel van de ruimtetijd zelf. In deze theorie is er geen traagheidsreferentiekader. De ruimtetijd breidt zich niet uit met betrekking tot iets buiten zichzelf, dus de lichtsnelheid als een limiet op zijn snelheid is niet van toepassing. Ja, sterrenstelsels buiten onze Hubble-bol wijken sneller van ons af dan de lichtsnelheid. Maar de sterrenstelsels zelf breken geen kosmische snelheidslimieten. Voor een waarnemer in een van die sterrenstelsels schendt niets de speciale relativiteitstheorie helemaal. Het is de ruimte tussen ons en die sterrenstelsels die zich snel uitbreidt en exponentieel uitbreidt.
Het waarneembare heelal
Nu voor de volgende bom: het Hubble-volume is niet hetzelfde als het waarneembare heelal.
Om dit te begrijpen, bedenk dat als het heelal ouder wordt, licht op afstand meer tijd heeft om onze detectoren hier op aarde te bereiken. We kunnen objecten zien die voorbij ons huidige Hubble-volume zijn versneld omdat het licht dat we vandaag zien, werd uitgezonden terwijl ze erin zaten.
Strikt genomen valt ons waarneembare heelal samen met iets dat het wordt genoemd deeltjes horizon. De deeltjeshorizon markeert de afstand tot het verste licht dat we op dit moment mogelijk kunnen zien - fotonen die genoeg tijd hebben gehad om binnen te blijven of onze licht uitzettende Hubble-bol in te halen.
En wat is deze afstand precies? Iets meer dan 46 miljard lichtjaar in elke richting - wat ons waarneembare heelal een diameter geeft van ongeveer 93 miljard lichtjaar, of meer dan 500 miljard biljoen mijl.
(Een snelle opmerking: de deeltjeshorizon is niet hetzelfde als de kosmologische gebeurtenishorizon. De deeltjeshorizon omvat alle gebeurtenissen in het verleden die we momenteel kunnen zien. De horizon van de kosmologische gebeurtenis definieert daarentegen een afstand waarbinnen een toekomstige waarnemer het dan oude licht kan zien dat ons kleine hoekje van de ruimtetijd vandaag uitzendt.
Met andere woorden, de deeltjeshorizon heeft betrekking op de afstand tot objecten uit het verleden waarvan het oude licht dat we vandaag kunnen zien; de horizon van de kosmologische gebeurtenis heeft betrekking op de afstand die ons huidige licht zal kunnen afleggen als verre gebieden van het heelal bij ons vandaan versnellen.)
Donkere energie
Dankzij de uitbreiding van het heelal zijn er delen van de kosmos die we nooit zullen zien, zelfs als we oneindig lang zouden kunnen wachten totdat hun licht ons zou bereiken. Maar hoe zit het met die gebieden net buiten het bereik van ons huidige Hubble-volume? Als die bol zich ook uitbreidt, zullen we die grensobjecten dan ooit kunnen zien?
Dit hangt af van welke regio sneller uitbreidt - het Hubble-volume of de delen van het heelal net daarbuiten. En het antwoord op die vraag hangt af van twee dingen: 1) of H0 neemt toe of af, en 2) of het heelal versnelt of vertraagt. Deze twee tarieven zijn nauw met elkaar verbonden, maar ze zijn niet hetzelfde.
In feite geloven kosmologen dat we eigenlijk leven in een tijd waarin H0 daalt; maar vanwege donkere energie neemt de snelheid van de uitdijing van het heelal toe.
Dat klinkt misschien contra-intuïtief, maar zolang H0 neemt langzamer af tarief dan die waarbij de uitdijingssnelheid van het heelal toeneemt, vindt de algehele beweging van sterrenstelsels weg van ons nog steeds in een versneld tempo plaats. En op dit moment geloven kosmologen dat de uitbreiding van het universum de bescheidener groei van het Hubble-volume zal overtreffen.
Dus hoewel ons Hubble-volume toeneemt, lijkt de invloed van donkere energie een harde limiet te vormen voor het steeds groter wordende waarneembare heelal.
Onze aardse beperkingen
Kosmologen lijken een goede greep te hebben op diepe vragen zoals hoe ons waarneembare heelal er op een dag uit zal zien en hoe de uitdijing van de kosmos zal veranderen. Maar uiteindelijk kunnen wetenschappers de antwoorden op vragen over de toekomst alleen theoretiseren op basis van hun huidige begrip van het heelal. Kosmologische tijdschalen zijn zo onvoorstelbaar lang dat het onmogelijk is om iets concreets te zeggen over hoe het universum zich in de toekomst zal gedragen. De modellen van vandaag passen opmerkelijk goed bij de huidige gegevens, maar de waarheid is dat niemand van ons lang genoeg zal leven om te zien of de voorspellingen echt overeenkomen met alle uitkomsten.
Teleurstellend? Zeker. Maar absoluut de moeite waard om onze nietige hersenen te helpen bij het overwegen van zulke geestverruimende wetenschap - een realiteit die, zoals gewoonlijk, gewoon vreemder is dan fictie.
