Netherlands

De mensheid is al millennia lang gefascineerd door de vraag hoe het Heelal is ontstaan en hoe het ooit zal eindigen. De Oude Grieken en veel andere beschavingen dachten dat ons Heelal eeuwigdurend en oneindig is. Aristoteles was één van de eersten die anders dacht en hij suggereerde dat het Heelal vervat is in wat hij een “hemelse sfeer” noemde. Tot ieders verrassing bleek in 1930 dat het Heelal niet oneindig oud is maar een welbepaalde leeftijd heeft. De sterrenkundige Edward Hubble deed toen de verbazingwekkende ontdekking dat al de sterrenstelsels van elkaar weg bewegen. Dat betekende dat ze 1000 jaar geleden dichter bij elkaar moeten zijn geweest dan vandaag, en 1 miljoen jaar geleden zelfs nog dichter bij elkaar. Uiteindelijk moet op een bepaald tijdstip in het verleden al de materie samengeperst zijn geweest in een zeer klein volume met een enorm hoge dichtheid en temperatuur. We weten nu dat dit ongeveer 13,7 miljard jaar geleden zijn geweest.

Artistieke impressie van de Big Bang. (Bron: Counterbalance Foundation)

Omdat de uitdijing van het Heelal vanaf haar prille begin zich gedraagt zoals een enorme explosie, waarbij materiaal van de plaats van de explosie in alle richtingen aan hoge snelheid weg beweegt, werd deze theorie al snel bekend onder de naam van Big Bang. Aanvankelijk werd deze naam smalend gebruikt door de tegenstanders van de Big Bang theorie omdat het in de jaren 1930 voor veel mensen ondenkbaar leek dat het Heelal niet oneindig oud is. Toch bleef de naam verder gebruikt worden omdat ze erg tot de verbeelding spreekt van zowel wetenschappers als leken.

Momenteel is de Big Bang theorie de meest aanvaarde theorie over het ontstaan van het Heelal, maar ze is verre van volledig. De theorie verklaart hoe het Heelal mogelijk geëvolueerd is sinds haar ontstaan, maar er blijven nog heel wat kosmologische vragen onbeantwoord. Waardoor gebeurde de Big Bang? En als het Heelal uitdijt (en dus groter wordt) waarin dijt het dan uit? Sommige van deze vragen vormen boeiende, nieuwe uitdagingen voor astronomen, terwijl andere eerder filosofisch van aard zijn. Zo weten we bijvoorbeeld wat er gebeurd is met het Heelal vanaf een fractie van een seconde na de Big Bang, maar we kunnen niet precies verklaren wat er in die eerste fractie van een seconde zelf gebeurd is, toen tijd en ruimte werden gecreëerd. Dus als je zou vragen wat er vóór de Big Bang was? Wel, gewoon niets, omdat ruimte en tijd niet bestonden voor de Big Bang. Er is dus geen vóór de Big Bang omdat tijd niet bestond, en er was sowieso geen plaats voor iets omdat er nog geen ruimte was.

Volgens de Big Bang theorie zou al de materie vanaf het begin al bestaan hebben maar was het allemaal op één en dezelfde plaats. Vóór de Big Bang was er geen tijd en geen ruimte. De ontdekking van Hubble dat de sterrenstelsels van elkaar weg bewegen, leidde tot de onderstelling van een uitdijend Heelal. Dit betekent dat de sterrenstelsels niet van elkaar weg bewegen door hun eigen beweging, maar dat het de ruimte zelf is die de sterrenstelsels verder van elkaar doet wegdrijven.

In zijn Algemene relativiteitstheorie legt Albert Einstein uit hoe elk object in de ruimte is ‘ingebed’ in de ruimte en hoe het de ruimte zelf is die uitdijt, waardoor de afstand tussen de verschillende objecten groter wordt. Al de materie en al de ruimte was in één enkel punt vóór de Big Bang, wat betekent dat de Big Bang overal plaats had.

Het is waarschijnlijk gemakkelijker om aan een plastieken ballon te denken. De ballon stelt de ruimte voor (tweedimensionaal in dit geval). Op de ballon breng je veel stippen aan, die de sterrenstelsels voorstellen. Als je de balloon nu opblaast lijken de stippen van elkaar weg te bewegen maar in werkelijkheid zijn de stukjes plastiek (de ruimte) tussen al de stippen uitgerekt waardoor de stippen (de sterrenstelsels) verder van elkaar zijn komen te liggen.

Edward Hubble realiseerde zich dat al de sterrenstelsels zich van elkaar weg bewegen door zeer veraf gelegen sterrenstelsels waar te nemen. Hij vond dat het licht van deze sterrenstelsels verschoven was naar het rode deel van het zichtbare spectrum. Dit kan worden verklaard door het Doppler Effect. Dit houdt in dat het licht dat wordt uitgezonden door een bron die van een waarnemer weg beweegt wordt waargenomen bij een lagere frequentie.

Een lagere frequentie betekent dat het licht dat wordt waargenomen meer rood van kleur is dan het licht dat werd uitgezonden door de bron. Dit effect heet roodverschuiving.

Illustration of the Doppler effect. Image source: epicphysics.com

Het Doppler effect is van toepassing op alle soorten golven maar het is het gemakkelijkst verklaarbaar voor geluidsgolven. Beeld je een motorrijder in die naar waarnemer B toe rijdt. Zijn motor zendt voortdurend geluidsgolven (het motorgeluid) uit in alle richtingen, maar naarmate hij verder rijdt haalt hij de geluidsgolven die eerder werden uitgezonden in, waardoor de afstand tussen de opeenvolgende golven kleiner wordt. Hierdoor wordt de frequentie van de geluidsgolven (die bepaald wordt door de afstand tussen de opeenvolgende golven) hoger waardoor B geluid met een hogere toon hoort. Achter de motor is het effect omgekeerd omdat de motor wegrijdt van de geluidsgolven daar, waardoor de afstand tussen de golven groter (en de frequentie van het geluid daardoor kleiner) wordt naarmate de motorrijder zich verder van waarnemer A verwijdert, waardoor deze laatste een lagere toon hoort.

Voor licht geldt een vergelijkbaar effect. Voor objecten die licht uitzenden en naar de waarnemer toe bewegen worden de golven samengedrukt, wat een toename in frequentie en een lagere golflengte betekent, waardoor het licht blauwer lijkt. Voor sterrenstelsels die van ons weg bewegen zal het licht verschoven worden naar lagere frequenties (hogere golflengtes) en daardoor roder lijken.

Deze afbeelding toont dat het licht van veraf gelegen sterrenstelsels rood lijkt in plaats van geel omdat ze van ons weg bewegen. Bron: ESA/NASA

Theorieën over hoe het prille Heelal er uit zag zijn erg speculatief omdat het zeer moeilijk is on in detail te weten wat er 13.7 miljard jaar gelden gebeurd is.

We weten dat in het begin van het Heelal de temperatuur zo hoog was dat al de materie was opgebroken in de meest elementaire materiedeeltjes zoals quarks, elektronen en fotonen. Er waren toen nog geen atoomkernen, atomen, vaste stoffen, sterren of planeten. Op dit ogenblik konden alleen de echt elementaire deeltjes bestaan.

Ongeveer 1 milliseconde na de Big Bang was de temperatuur voldoende gezakt zodat protonen en neutronen konden ontstaan door het ‘samenklonteren’ van drie quarks.

Er zijn zes verschillende soorten quarks. Slechts twee daarvan zijn nodig om bijna al de bestaande materie op te bouwen: de up en de down quark. Twee up quarks en één down quark vormen samen een proton, twee down quarks en één up quark vormen een neutron.

In 1965 hadden twee Amerikaanse wetenschappers, Penzias en Wilson, een nieuwe radioantenne met een tot dan toe ongeëvenaarde gevoeligheid gebouwd, om signalen van satellieten op te vangen. Eerder toevallig namen ze een mysterieuze microgolf straling waar die duidelijk van ver in de ruimte afkomstig was, maar ze hadden geen flauw idee over de oorsprong er van. Later werd gevonden dat deze straling gerelateerd is aan de Big Bang. Ze wordt kosmische achtergrondstraling genoemd en verhoogt de temperatuur van de ruimte van nul tot ongeveer 2.7 Kelvin (2.7 graden boven het absolute nulpunt). Deze straling blijkt bijna perfect uniform in intensiteit te zijn in alle richtingen.

Je kan de kosmische achtergrondstraling zelfs zelf waarnemen! Iedereen die vroeger een gewoon (analoog) TV-toestel had zal wel ooit de ‘ruis’ op het scherm gezien hebben als het toestel niet goed was afgesteld of een zender wegens technisch defect soms onderbroken werd. Zo’n 10% van deze ‘flikkering’ op het scherm is het gevolg van de kosmische achtergrondstraling. Dit is natuurlijk niet waarneembeer met digitale TV-toestellen.

Waar komt ze vandaan?

Na de vorming van de eerste atoomkernen van waterstof, helium en kleine hoeveelheden lithium, bleven deze atoomkernen omringd door een zee van elektronen die al vroeger in de evolutie van het nog prille Heelal geproduceerd waren. Een elektron heeft een negatieve elektrische lading, terwijl een proton een positieve lading heeft. Door hun tegenstelde elektrische ladingen trekken ze elkaar aan waardoor de elektronen proberen om atomen te vormen met de protonen. Eén proton en één elektron vormen dan samen een waterstofatoom, twee elektronen en een atoomkern van helium (die uit twee protonen en twee neutronen bestaat; neutronen zijn elektrisch niet geladen) vormen samen een heliumatoom.

Door de erg hoge temperatuur in het vroege Heelal werden deze atomen echter vrijwel onmiddellijk weer uit elkaar geslagen, waarbij de atoomkernen en de elektronen weer elk hun eigen weg gingen. Het duurde tot ongeveer 300.000 jaar na de Big Bang vooraleer het Heelal voldoende was uitgedijd en tegelijk afgekoeld tot bij een temperatuur waarbij de pas gevormde atomen niet weer onmiddellijk uit elkaar vielen, maar konden blijven bestaan.

Het pad van fotonen (lichtdeeltjes, die erg licht zijn) kan worden gewijzigd door botsingen tussen fotonen en elektrisch geladen deeltjes, maar fotonen interageren weinig of niet met elektrisch neutrale deeltjes. Daardoor konden de fotonen die werden gecreëerd bij de Big Bang ongestoord hun weg vervolgen zodra al de elektronen samen met de atoomkernen van waterstof, helium en lithium, die alle bij de Big Bang gevormd waren, (elektrisch neutrale) atomen hadden gevormd. Deze fotonen nemen we tegenwoordig waar als de kosmische achtergrondstraling. Deze straling geeft ons dus een momentopname van het Heelal toen het nog maar 300.000 jaar oud was.

Deze foto toont een gedetailleerde opname van de kosmische microgolfstraling over de volledige hemel, die het prille Heelal toont. De foto werd samengesteld uit opnames die met de WMAP satelliet werden gemaakt in een periode van negen jaren WMAP. De verschillende kleuren in de afbeelding tonen aan dat het Heelal 300.000 jaar na de Big Bang niet overal hetzelfde was. De kleurverschillen komen overeen met kleine temperatuurverschillen die later aanleiding hebben gegeven tot de vorming van de sterrenstelsels. Bron: NASA/WMAP.

Is er enig bewijs voor de Big Bang theorie? De Big Bang theorie wordt ondersteund door de volgende drie belangrijke waarnemingen:

  1. De expansie (uitdijing) van het Heelal, waardoor sterrenstelsels van elkaar weg bewegen. Dit betekent dat op het ogenblik van de Big Bang al de materie in het heelal moet zijn samengeperst geweest in één punt met een zeer hoge temperatuur en dichtheid.
  2. De hoeveelheid van de lichte atoomkernen 2H (deuterium), 3He (helium-3), 4He (helium) en 7Li (lithium-7) die we waarnemen in het Heelal kan alleen worden verklaard als we aannemen dat ze werden geproduceerd in de eerste minuten na de Big Bang.
  3. Het waarnemen van de kosmische achtergrondstraling vanuit alle richtingen in de ruimte. De oorsprong van deze straling kan worden verklaard door aan te nemen dat ze kort na de Big Bang werd gecreëerd.

Gedurende ongeveer 1 miljard jaar na de Big Bang bestond het heelal bijna uitsluiten uit waterstof en helium in gasvormige toestand. Er waren geen sterren of planeten. Uiteindelijk begonnen sommige van deze waterstof- en heliumgaswolken, waarin ook stofdeeltjes voorkwamen, samen te trekken om protosterren te vormen die uiteindelijk heet genoeg werden om in hun centrum de kernfusie van waterstof te starten, waardoor ze de eerste sterren werden. Uit de resten van de gas- en stofwolken waaruit protosterren ontstonden werden later bij veel sterren planeten gevormd. Sterren groepeerden later tot sterrenstelsels. Onze Zon werd echter pas gevormd nadat al veel generaties van sterren voorbij waren, ongeveer 8 tot 9 miljard jaar na de Big Bang.

Eén enkel stofdeeltje uit het prille begin van ons zonnestelsel. Bron: NASA

Het gas en stof dat overbleef rond een protoster klonterde daarna samen onder de zwaartekracht, waarbij kleinere stukken werden aangetrokken door grotere. Naarmate die grotere stukken verder groeiden namen ze onder invloed van de zwaartekracht (hun grote gewicht) uiteindelijk ook een bolvorm in plaats van een onregelmatige vorm aan en werden zo planeten.

Wij hebben geluk dat ons zonnestelsel pas zo laat na de Big Bang gevormd werd. Onze planeet Aarde bestaat uit rots die in de beginfase van het Heelal nog niet bestond. Rots bestaat uit zwaardere elementen dan waterstof, helium en lithium, de elementen die bij de Big Bang gevormd werden. Die zwaardere elementen werden gemaakt in het inwendige van zware sterren en werden aan het einde van hun leven, bv. een supernovaexplosie , in de ruimte uitgestoten. Materiaal van een supernovaexplosie niet al te ver weg van onze Zon is in de buurt van de Zon terecht gekomen en daaruit is dan niet alleen de Aarde ontstaan, maar ook de planeten Mercurius, Venus en Mars. De planeten in de buitendelen van ons zonnestelsel (Jupiter, Saturnus, Uranus en Neptunus) zijn zogenaamde gasreuzen en zijn gevormd uit het gas dat na de vorming van de Zon overbleef in de wolk waaruit de Zon ontstaan is.

Ons zonnestelsel met de zon en de planeten is ontstaan uit een wolk van gas en stof, ongeveer zoals hier is afgebeeld. Bron: NASA

Hoewel we vrij nauwkeurig kunnen meten hoe snel de sterrenstelsels van elkaar weg bewegen, toch is het helemaal niet zo eenvoudig om te voorspellen wat er verder met ons Heelal zal gebeuren. De uitdijing (het groter worden) van het Heelal is vooral het gevolg van de Big Bang, maar in principe kan de hoeveelheid materie in het Heelal met haar aantrekkingskracht alles weer terug samentrekken.

Er zijn verschillende mogelijkheden en alles hangt af van de dichtheid van het Heelal:

  1. Als de dichtheid van het Heelal laag is zal de aantrekkingskracht van de materie in het Heelal niet sterk genoeg zijn om de uitdijing tot staan te brengen en zal het Heelal tot in het oneindige blijven uitdijen. En hoe kleiner de dichtheid is, des te sneller kan het Heelal uitdijen. Dit noemen we het Open Heelal model.
  2. 2. Als de dichtheid van het Heelal groot is, zal het een tijd lang uitdijen maar zal de snelheid waarmee dit gebeurt afnemen tot het Heelal een maximum grootte bereikt. Daarna zal de aantrekkingskracht van al de materie in het Heelal alles weer beginnen samen te trekken tot het terug in elkaar klapt in het enen punt (singulariteit) waarin het begon. Dit in elkaar klappen noemen we de Big Crunch. Dit noemen we het Gesloten Heelal omdat het een eindige (maximale) afmeting heeft en kan leiden tot een nieuwe Big Bang waarbij een nieuw Heelal gevormd wordt.
  3. 3. Als de dichtheid precies op de grens tussen de vorige twee modellen ligt, wat de kritische dichtheid genoemd wordt, zal het Heelal tot in het oneindige blijven uitdijen maar zal de snelheid waarmee dit gebeurt in de loopt van de tijd wel altijd kleiner worden.

De figuur illustreert de drie modellen voor de expansie van het Heelal. De huidige waarnemingen lijken er op te wijzen dat het Open Heelal model het juiste is.

De Aarde is ongeveer 4.600 miljoen jaar oud. In het begin was alles echter nog zo heet dat de ganse Aarde nog gesmolten was. Na zo’n 500 miljoen jaar was alles voldoende afgekoeld dat oceanen konden ontstaan en de Aarde stilaan ‘bewoonbaar’ werd. Toen zijn de eerste, nog primitieve, levensvormen ontstaan in de oceanen. Het heeft daarna nog enorm lang (ongeveer 4.000 miljoen jaar) geduurd voordat uit deze primitieve levensvormen eerst planten zijn ontstaan en later dieren en nog later de mens.

Alleen de laatste 4 miljoen jaar zijn er mensen op Aarde. En het is sinds minder dan 100 jaar dat de mensheid enig begrip heeft van hoe het Heelal in elkaar zit en hoe het ontstaan is door de Big Bang.

De omstandigheden op Aarde waren precies deze die nodig waren om leven te laten ontstaan. De temperatuur op Aarde is precies deze die nodig is om vloeibaar water te hebben, de Aarde is dicht genoeg bij de Zon om gebruik te kunnen maken van de stralingsenergie die de Zon uitzendt, er is de zuurstof die wij nodig hebben om te ademen, en de Aarde heeft de Maan die een rol speelt in het klimaat.

Deze figuur stelt de natuurlijke fenomenen voor die een rol hebben gespeeld bij het ontstaan van leven op Aarde. Bron: California Space Institute

Veel wetenschappers denken dat er ook leven is buiten de Aarde. Met de miljarden andere zonnestelsels die in het Heelal voorkomen lijkt het onwaarschijnlijk dat de Aarde de enige planeet is waar leven kan voorkomen. In ons zonnestelsel zijn de planeet Mars en een maan van Jupiter, Europa genaamd, de meest waarschijnlijke plaatsen waar primitief leven zou kunnen voorkomen. Er zijn duidelijke aanwijzingen dat er vroeger vloeibaar water is geweest op Mars, terwijl wetenschappers vermoeden dat er onder het ijsoppervlak van Europa een gigantische oceaan ligt.

In 2011 waren er al 500 planeten buiten ons zonnestelsel ontdekt en er worden nog steeds nieuwe ‘exoplaneten’ gevonden. Het is niet onmogelijk dat op enkele van deze ook de juiste condities voor leven zouden aanwezig zijn. Misschien zijn er wel technische beschavingen die al veel verder geëvolueerd zijn als wij. Sommigen denken echter dat als er echt zo veel beschavingen buiten de onze zouden bestaan, wij tenminste enkele daarvan al zouden moeten hebben opgemerkt. Dit wordt de paradox van Fermi genoemd, naar Enrico Fermi die deze stelling voor het eerst geformuleerd heeft. Eén van de meest waarschijnlijke verklaringen hiervoor is dat de ontzaglijk grote afstanden tussen verschillende geëvolueerde beschavingen elk contact enorm bemoeilijkt en zelfs onmogelijk maakt. Zelfs als er zeg een 1000-tal geëvolueerde beschavingen zouden bestaan, die allemaal ongeveer 1000 lichtjaar van elkaar verwijderd zijn, dan is het nog zeer onwaarschijnlijk dat iemand van een andere beschaving de Aarde zou komen bezoeken.

Sommige wetenschappers vinden het een onwaarschijnlijk toeval dat uit het oneindig aantal mogelijkheden waarin ons Heelal het net in die richting geëvolueerd is die voor ons de perfecte condities om hier te kunnen leven creëert. Zo was er ten tijde van de Big Bang blijkbaar een zeer klein (van de orde van 1 miljardste) overschot van materie over antimaterie in het Heelal. Als er van elk exact evenveel zou zijn geweest, zouden materie en antimaterie elkaar vernietigd (‘geannihileerd’) hebben, waarbij beide in straling worden omgezet en er een ‘saai’ Heelal zou ontstaan zijn zonder enig vast materiaal en dus ook zonder ons. Er zou ook geen leven mogelijk geweest zijn als het overschot aan materie een klein beetje groter of kleiner zou geweest zijn dan de huidige waarde. Als het een klein beetje groter zou geweest zijn, zou het Heelal in elkaar gestort zijn onder zijn eigen zwaartekracht voordat er genoeg tijd geweest zou zijn voor de ontwikkeling van leven. Als het overschot aan materie echter een beetje kleiner zou geweest zijn, dan zou de uitdijing van het Heelal zo snel verlopen zijn dat geen gebonden structuren (zoals atomen en moleculen) zouden kunnen gevormd zijn en het Heelal alleen de elementaire deeltjes zou bevatten en niets anders.


Doe de quiz!
1. Een wezen dat leeft in een ander sterrenstelsel, ver weg van onze Melkweg, neemt het heelal waar. Wat besluit zij?
  1. Sterrenstels bewegen zodanig dat de afstand tussen haar sterrenstaelsel en al de andere toeneemt
  2. Sommige sterrenstels bewegen naar elkaar toe en andere bewegen dan weer van elkaar weg
2. Welk van de volgende uitspraken is juist ?
  1. Protonen, neutronen and helium atoomkernen werden gemaakt in de eerste seconden na de Big Bang.
  2. Helium atoomkernen waren de eerste stabiele deeltjes die werden geproduceerd in het Heelal.
  3. Protonen en neutronen zijn niet de eerste onderdelen van het Heelal.
3. Vul drie feiten in die de Big Bang theorie ondersteunen
  1. De van lichte atoomkernen,
  2. de van het Heelal,
  3. en de kosmische
4. Welke eigenschap van de expansie van het heelal leidt tot de onderstelling dat er Donkere Energie bestaat?

De Donkere Energie is nodig om de onderstelde van het te verklaren.

Toon de antwoorden ...
1.a 2.c 3,4 zie de vetgedrukte tekst