Duizenden jaren hebben mensen naar de sterren gekeken en zich afgevraagd hoe het universum is ontstaan. Maar pas in de jaren van de Eerste Wereldoorlog ontwikkelden onderzoekers de eerste observatie-instrumenten en theoretische instrumenten om die grote vragen om te zetten in een nauwkeurig studiegebied: kosmologie.
'Ik beschouw kosmologie als een van de oudste onderwerpen van menselijk belang maar als een van de nieuwste wetenschappen', zegt Paul Steinhardt, een kosmoloog aan de Princeton University die onderzoekt of tijd een begin heeft.
Kosmologie, in een notendop, bestudeert de kosmos als één entiteit, in plaats van de sterren, zwarte gaten en sterrenstelsels die haar vullen afzonderlijk te analyseren. Dit veld stelt grote vragen: waar komt het universum vandaan? Waarom heeft het sterren, sterrenstelsels en melkwegclusters? Wat gaat er nu gebeuren? 'Kosmologie probeert een heel groot beeld te schetsen van de aard van het universum', zegt Glennys Farrar, deeltjesfysicus aan de New York University.
Omdat deze discipline met veel verschijnselen worstelt, van deeltjes in het vacuüm tot het weefsel van ruimte en tijd, trekt de kosmologie sterk aan op vele gebieden, waaronder astronomie, astrofysica en, in toenemende mate, deeltjesfysica.
'Kosmologie heeft delen die volledig in de natuurkunde liggen, delen die volledig in de astrofysica zijn en delen die heen en weer gaan', zei Steinhardt. 'Dat is een deel van de opwinding.'
Een geschiedenis van de geschiedenis van het universum
Het interdisciplinaire karakter van het veld verklaart de relatief late start ervan. Ons moderne beeld van het universum begon pas in de jaren twintig samen te komen, kort nadat Albert Einstein de theorie van algemene relativiteitstheorie had ontwikkeld, een wiskundig raamwerk dat de zwaartekracht beschrijft als een gevolg van het buigen van ruimte en tijd.
'Voordat je de aard van de zwaartekracht begrijpt, kun je niet echt een theorie maken over waarom de dingen zijn zoals ze zijn', zei Steinhardt. Andere krachten hebben grotere effecten op deeltjes, maar de zwaartekracht is de belangrijkste speler in de arena van planeten, sterren en sterrenstelsels. Isaac Newton's beschrijving van zwaartekracht werkt vaak ook in dat rijk, maar het behandelt ruimte (en tijd) als een starre en onveranderlijke achtergrond waartegen gebeurtenissen kunnen worden gemeten. Einsteins werk toonde aan dat de ruimte zelf kon uitzetten en samentrekken, het universum van toneel naar acteur verschoof en het in de strijd bracht als een dynamisch object om te bestuderen.
Halverwege de jaren twintig maakte astronoom Edwin Hubble observaties van de recent gebouwde 100-inch (254 centimeter) Hooker-telescoop op het Mount Wilson Observatory in Californië. Hij probeerde een debat op te lossen over de locatie van bepaalde wolken in de ruimte die astronomen konden zien. Hubble bewees dat deze "nevels" geen kleine, lokale wolken waren, maar in plaats daarvan enorme, verre sterrenhopen die vergelijkbaar waren met onze eigen Melkweg - "eilanduniversa" in de taal van die tijd. Tegenwoordig noemen we ze sterrenstelsels en weten we dat ze in de triljoenen tellen.
De grootste omwentelingen in kosmisch perspectief moesten nog komen. Hubble's werk aan het eind van de jaren twintig suggereerde dat sterrenstelsels in elke richting van ons wegrennen, wat tientallen jaren van verder debat op gang bracht. Eventuele metingen van de kosmische microgolfachtergrond (CMB) - licht overgebleven uit de beginjaren van het universum en sindsdien uitgerekt tot microgolven - bewees in de jaren zestig dat de realiteit overeenkwam met een van de mogelijkheden die door algemene relativiteitstheorie worden gesuggereerd: beginnend klein en heet, het universum heeft wordt sindsdien steeds groter en kouder. Het concept werd bekend als de oerknaltheorie en het deed de kosmologen rammelen omdat het impliceerde dat zelfs het universum een begin en een einde zou kunnen hebben.
Maar in ieder geval konden die astronomen de beweging van de sterrenstelsels in hun telescopen zien. Een van de meest seismische verschuivingen van de kosmologie, zei Farrar, is het idee dat de overgrote meerderheid van de dingen die er zijn, gemaakt zijn van iets anders, iets dat volledig onzichtbaar is. Het materiaal dat we kunnen zien, is niet veel meer dan een kosmische afrondingsfout - slechts ongeveer 5% van alles in het universum.
De eerste bewoner van de andere 95% van het universum, wat de "donkere sector" wordt genoemd, stak zijn kop op in de jaren zeventig. Destijds realiseerde astronoom Vera Rubin dat sterrenstelsels zo snel ronddraaiden dat ze zichzelf uit elkaar moesten draaien. Meer dan moeilijk te zien materie, zei Farrar, moesten de dingen die sterrenstelsels bij elkaar houden iets totaal onbekends zijn voor natuurkundigen, iets dat - afgezien van de aantrekkingskracht ervan - gewone materie en licht volledig negeert. Latere kaarten lieten zien dat de sterrenstelsels die we zien gewoon kernen zijn in het centrum van kolossale 'donkere materie'-bollen. De filamenten van zichtbare materie die zich over het universum uitstrekken, hangen aan een donker frame dat vijf tegen één opweegt tegen zichtbare deeltjes.
De Hubble-ruimtetelescoop ontdekte toen tekenen van een onverwachte verscheidenheid aan energie - waarvan kosmologen nu zeggen dat ze de resterende 70% van het universum uitmaken na rekening te hebben gehouden met donkere materie (25%) en zichtbare materie (5%) - in de jaren negentig, toen het klokte de uitdijing van het universum als versnellen als een weggelopen trein. 'Donkere energie', mogelijk een soort energie die inherent is aan de ruimte zelf, duwt het universum sneller uit elkaar dan de zwaartekracht de kosmos bij elkaar kan brengen. Over een biljoen jaar bevinden alle astronomen die in de Melkweg zijn achtergebleven, zich in een echt eilanduniversum, omgeven door duisternis.
'We bevinden ons op een overgangspunt in de geschiedenis van het universum, van waar het wordt gedomineerd door materie naar waar het wordt gedomineerd door een nieuwe vorm van energie', zei Steinhardt. 'Donkere materie heeft ons verleden bepaald. Donkere energie zal onze toekomst bepalen.'
Moderne en toekomstige kosmologie
De huidige kosmologie verpakt deze historische ontdekkingen in zijn bekroning, het Lambda-CDM-model. Deze bundel vergelijkingen, ook wel het standaardmodel van de kosmologie genoemd, beschrijft het universum vanaf ongeveer zijn eerste seconde. Het model gaat uit van een bepaalde hoeveelheid donkere energie (lambda, voor zijn representatie in algemene relativiteit) en koude donkere materie (CDM) en doet soortgelijke gissingen over de hoeveelheid zichtbare materie, de vorm van het universum en andere kenmerken, allemaal bepaald door experimenten en observaties.
Speel die baby-universum-film 13,8 miljard jaar vooruit en kosmologen krijgen een momentopname die 'statistisch gezien alles heeft wat we tot een bepaald punt kunnen meten', zei Steinhardt. Dit model vertegenwoordigt het te verslaan doel, aangezien kosmologen hun beschrijvingen van het universum dieper in het verleden en in de toekomst duwen.
Zo succesvol als Lambda-CDM is geweest, het heeft nog steeds genoeg knikken die moeten worden opgelost. Kosmologen krijgen tegenstrijdige resultaten wanneer ze de huidige expansie van het universum proberen te bestuderen, afhankelijk van het feit of ze deze rechtstreeks in nabijgelegen sterrenstelsels meten of afleiden uit de CMB. Dit model zegt ook niets over de samenstelling van donkere materie of energie.
Dan is er die lastige eerste seconde van het bestaan, toen het universum vermoedelijk van een oneindig klein stipje naar een relativistisch goed opgevoede bubbel ging. 'Inflatie' is een populaire theorie die deze periode probeert aan te pakken, en legt uit hoe een kort moment van nog snellere expansie minuscule oervariaties opblies in de grootschalige oneffenheden van de huidige sterrenstelsels, en hoe de Lambda-CDM-inputs hun waarden kregen .
Niemand weet echter hoe inflatie precies werkte, of waarom ze stopte waar ze vermoedelijk was. Steinhardt zei dat de inflatie in veel delen van de ruimte had moeten doorgaan, wat impliceert dat ons universum slechts één stukje van een "multiversum" is dat alle mogelijke fysieke realiteit bevat - een niet-testbaar idee dat veel experimentalisten verontrustend vinden.
Om vooruitgang te boeken bij dit soort vragen, kijken kosmologen naar precisiemetingen van ruimtetelescopen zoals de Hubble-ruimtetelescoop en de aanstaande James Webb-ruimtetelescoop, evenals experimenten in het opkomende gebied van zwaartekrachtsgolfastronomie, zoals de National Science Foundation Laserinterferometer Gravitational-Wave Observatory. Kosmologen sluiten zich ook aan bij deeltjesfysici en astrofysici in een interdisciplinaire race om deeltjes van donkere materie te detecteren.
Net zoals de kosmologie niet kon beginnen voordat andere takken van de natuurkunde volwassen waren geworden, zal ze de geschiedenis van het universum pas kunnen onthullen als andere gebieden vollediger zijn. 'Om het verhaal duidelijk te krijgen, moet je in wezen alles uitwerken de wetten van de natuurkunde op alle energieschalen en onder alle omstandigheden, 'zei Steinhardt. 'En een verandering in een van deze kan het kosmologische verhaal radicaal veranderen.'
Farrar zei dat ze niet weet of dat zal gebeuren, maar wonderen dat mensen de complexiteit van het universum net zo goed hebben begrepen als zij. 'Het is verbazingwekkend dat het menselijk brein zo is geëvolueerd dat deze vragen blijkbaar kunnen worden beantwoord', zei ze. 'Sommigen tenminste.'
Extra middelen:
