Invoering
Ongeveer 13,8 miljard jaar geleden begon het universum zoals we het kennen. Op dit moment, bekend als de Big Bang, begon de ruimte zelf snel uit te breiden. Ten tijde van de oerknal past het waarneembare universum (inclusief de materialen voor ten minste 2 biljoen sterrenstelsels) in een ruimte van minder dan een centimeter breed. Nu is het waarneembare universum 93 miljard lichtjaar in doorsnede en breidt het zich nog steeds uit.
Er zijn veel vragen over de oerknal, vooral over wat ervoor kwam (als er al iets was). Maar wetenschappers weten een aantal dingen. Lees verder voor enkele van de meest verbijsterende ontdekkingen over het begin van alles.
Het universum breidt zich uit
Tot 1929 was de oorsprong van het universum volledig gehuld in mythe en theorie. Maar dat jaar ontdekte een ondernemende astronoom genaamd Edwin Hubble iets heel belangrijks over het universum, iets dat nieuwe manieren zou openen om zijn verleden te begrijpen: het geheel breidt zich uit.
Hubble deed zijn ontdekking door iets te meten dat roodverschuiving wordt genoemd, wat de verschuiving is naar langere, rode golflengten van licht die in verre sterrenstelsels worden gezien. (Hoe verder het object verwijderd is, hoe sterker de roodverschuiving.) Hubble ontdekte dat de roodverschuiving lineair toenam met de afstand in verre melkwegstelsels, wat aangeeft dat het universum niet stilstaat. Het breidt zich uit, overal, allemaal tegelijk.
Hubble kon de snelheid van deze uitbreiding berekenen, een getal dat bekend staat als de Hubble-constante, volgens NASA. Het was deze ontdekking die wetenschappers in staat stelde terug te extrapoleren en te theoretiseren dat het universum ooit in een klein punt was verpakt. Ze noemden het eerste moment van uitbreiding de Big Bang.
Kosmische achtergrondstraling
In mei 1964 werkten Arno Penzias en Robert Wilson, onderzoekers van Bell Telephone Laboratories, aan de bouw van een nieuwe radio-ontvanger in New Jersey. Hun antenne bleef maar een vreemd gezoem oppikken dat de hele tijd van overal leek te komen. Ze dachten dat het misschien duiven in de uitrusting waren, maar het verwijderen van de nesten deed niets. Evenmin deden hun andere pogingen om interferentie te verminderen. Eindelijk realiseerden ze zich dat ze iets echts oppikten.
Wat ze hadden gedetecteerd, zo bleek, was het eerste licht van het universum: kosmische achtergrondstraling. Deze straling gaat terug tot ongeveer 380.000 jaar na de oerknal, toen het universum eindelijk voldoende was afgekoeld om fotonen (de golfachtige deeltjes waaruit licht bestaat) vrij te laten reizen. De ontdekking ondersteunde de oerknaltheorie en het idee dat het universum op het eerste moment sneller uitbreidde dan de lichtsnelheid. (Dat komt omdat de kosmische achtergrond vrij uniform is, wat duidt op een soepele uitbreiding van alles tegelijk vanaf een klein punt.)
Hemel kaart
De ontdekking van de kosmische microgolfachtergrond opende een venster op de oorsprong van het universum. In 1989 lanceerde NASA een satelliet genaamd de Cosmic Background Explorer (COBE), die kleine variaties in de achtergrondstraling meet. Het resultaat was een "babyfoto" van het universum, volgens NASA, die enkele van de eerste dichtheidsvariaties in het uitbreidende universum laat zien. Deze minuscule variaties hebben waarschijnlijk geleid tot het patroon van sterrenstelsels en lege ruimte, bekend als het kosmische web van sterrenstelsels, dat we tegenwoordig in het universum zien.
Direct bewijs van inflatie
De kosmische microgolfachtergrond stelde onderzoekers ook in staat het 'rokende pistool' te vinden voor inflatie - die enorme, sneller dan lichte expansie die plaatsvond bij de oerknal. (Hoewel de speciale relativiteitstheorie van Einstein stelt dat niets sneller gaat dan licht door de ruimte, was dit geen overtreding; de ruimte zelf breidde zich uit.) In 2016 kondigden natuurkundigen aan dat ze een bepaald soort polarisatie of directionaliteit hadden gedetecteerd in sommige van de kosmische microgolfachtergrond. Deze polarisatie staat bekend als "B-modi". De B-modus polarisatie was het allereerste directe bewijs van gravitatiegolven van de oerknal. Zwaartekrachtgolven ontstaan wanneer enorme objecten in de ruimte versnellen of vertragen (de eerste die ooit werd ontdekt, kwam door de botsing van twee zwarte gaten). De B-modi bieden een nieuwe manier om de uitbreiding van het vroege universum rechtstreeks te onderzoeken - en misschien om erachter te komen wat de oorzaak was.
Tot nu toe geen extra afmetingen
Een gevolg van de ontdekking van de zwaartekrachtsgolven was dat wetenschappers hierdoor konden zoeken naar extra dimensies, naast de gebruikelijke drie. Volgens theoretici zouden gravitatiegolven in onbekende dimensies moeten kunnen kruisen, als die dimensies bestaan. In oktober 2017 ontdekten wetenschappers zwaartekrachtsgolven door de botsing van twee neutronensterren. Ze maten de tijd die de golven nodig hadden om van de sterren naar de aarde te reizen en vonden geen bewijs voor enige extra-dimensionale lekkage.
De resultaten, gepubliceerd in juli 2018 in het Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, suggereren dat als er andere dimensies zijn, ze klein zijn - ze zouden delen van het universum van minder dan 1 mijl (1,6 kilometer) groot beïnvloeden. Dat betekent dat de snaartheorie, die stelt dat het universum is gemaakt van kleine vibrerende snaren en die minstens tien tiener-dimensies voorspelt, nog steeds waar zou kunnen zijn.
Uitbreiding versnelt ...
Een van de vreemdste ontdekkingen in de natuurkunde is dat het universum niet alleen uitbreidt, maar ook versnelt.
De ontdekking dateert van 1998, toen natuurkundigen de resultaten bekendmaakten van verschillende langlopende projecten waarbij bijzonder zware supernova's werden gemeten, type Ia-supernova's genaamd. De resultaten (die onderzoekers Saul Perlmutter, Brian P. Schmidt en Adam G. Reiss in 2011 een Nobelprijs opleverden), onthulden zwakker dan verwacht licht van de verste van deze supernova's. Dit zwakke licht toonde aan dat de ruimte zelf aan het uitbreiden is: alles in het universum wordt geleidelijk verder verwijderd van al het andere.
Wetenschappers noemen de motor van deze uitbreiding 'donkere energie', een mysterieuze motor die ongeveer 68% van de energie in het universum zou kunnen uitmaken. Deze donkere energie lijkt van cruciaal belang te zijn om theorieën over het begin van het universum geschikt te maken voor observaties die nu worden uitgevoerd, zoals die van NASA's Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP), een instrument dat de meest nauwkeurige kaart van het kosmische heeft geproduceerd magnetron achtergrond nog.
… Zelfs sneller dan verwacht
Nieuwe resultaten van de Hubble-telescoop, uitgebracht in april 2019, hebben de puzzel van het zich uitbreidende universum verdiept. De metingen van de ruimtetelescoop laten zien dat de uitdijing van het universum 9% sneller is dan verwacht uit eerdere waarnemingen. Voor sterrenstelsels vertaalt elke afstand van 3,3 miljoen lichtjaar tot de aarde zich in een extra 46 mijl per seconde (74 km per seconde) sneller dan eerdere berekeningen voorspeld, volgens NASA.
Waarom is dit van belang voor de oorsprong van het universum? Omdat natuurkundigen iets moeten missen. Volgens NASA kunnen er tijdens de oerknal en kort daarna drie afzonderlijke "donkere uitbarstingen" van donkere energie zijn geweest. Die uitbarstingen vormen het toneel voor wat we vandaag zien. De eerste is mogelijk begonnen met de eerste uitbreiding; een tweede is misschien veel sneller gebeurd, gedraagt zich als een zware voet die op het gaspedaal van het universum wordt gedrukt, waardoor het universum sneller uitzet dan eerder werd aangenomen. Een laatste uitbarsting van donkere energie kan de versnelde uitdijing van het universum vandaag verklaren.
Niets van dit alles is bewezen - tot nu toe. Maar wetenschappers kijken. Onderzoekers van de Universiteit van Texas in Austin McDonald Observatory gebruiken een nieuw geüpgraded instrument, de Hobby-Eberly Telescope, om rechtstreeks naar donkere energie te zoeken. Het project, het Hobby-Eberly Telescope Dark Energy Experiment (HETDEX), meet het zwakke licht van sterrenstelsels tot 11 miljard lichtjaar, waardoor onderzoekers in de loop van de tijd veranderingen in de versnelling van het universum kunnen zien. Ze zullen ook de echo's van verstoringen bestuderen in het 400.000 jaar oude universum, gecreëerd in de dichte soep van deeltjes die alles vormden direct na de oerknal. Dit zal ook de mysteries van expansie onthullen en de duistere energie verklaren die haar dreef.
