De geboorte en groei van het heelal

Als we dan toch ergens beginnen, kunnen we net zo goed bij het begin beginnen. Laten we onze klokken terugspoelen naar wat volgens wetenschappers de vroegste gebeurtenis in de geschiedenis van ons heelal is: de oerknal. We zullen zien of we het begin van de tijd kunnen bevatten, en dan zullen we enkele van de belangrijkste gebeurtenissen doornemen die zich sindsdien in de ruimte hebben voorgedaan.

De meeste mensen hebben wel eens van de oerknal gehoord, omdat het onze beste verklaring is voor hoe het heelal ontstond zoals we het vandaag de dag waarnemen. De woorden ‘Big Bang’ zijn een beetje misleidend, omdat deze gebeurtenis microscopisch plaatsvond en geen geluid voortgebracht kan hebben. Geluid vereist een medium, zoals lucht, om zich door te verplaatsen. Maar er was nog geen medium, dus de gebeurtenis was waarschijnlijk geluidloos. De naam ‘De Oerknal’ kwam eigenlijk van een tegenstander van de Oerknal-theorie, Fred Hoyle, maar hij is toch blijven hangen.

Dus wat was de Oerknal? Stel je voor dat alles in het heelal is samengeperst tot één klein puntje van materie en energie. Dit minuscule, dichte object bevatte niet alleen de energie en atomen van alles wat ooit zal bestaan, het bevatte ook zowel de ruimte als de tijd zelf. Wetenschappers noemen dit punt ‘de singulariteit van de oerknal’. Het is moeilijk voor te stellen hoe dit allesomvattende object eruit ziet, omdat ons verstand het op een bepaald moment in de tijd in een bepaald deel van de ruimte wil plaatsen. Maar ruimte en tijd zijn samen met al het andere in het heelal uit deze singulariteit ontstaan. We kunnen de plaats van de singulariteit niet bepalen, want er was nog geen ruimte waarin we haar konden plaatsen. We kunnen niet spreken over wat er gebeurde voordat de singulariteit ontstond, omdat er nog geen tijd bestond. Er was geen concept van ‘ervoor’. De tijd begon bij de Big Bang, het begin.

Laten we, omwille van het argument, de mogelijkheid overwegen dat het heelal oneindig oud is. Als dit waar zou zijn, dan zou een oneindig aantal gebeurtenissen al hebben plaatsgevonden voordat wij ontstonden. Terugkijkend in de tijd, zouden we gisteren zien, gevolgd door eergisteren, en dan de dag daarvoor, en dan de dag daarvoor… voor altijd. Dat betekent dat als het universum oneindig oud zou zijn, het huidige moment nooit zou kunnen ontstaan. Er zou een oneindig aantal gebeurtenissen aan vooraf moeten gaan, wat onmogelijk is. Wel, het is duidelijk dat het huidige moment is bereikt, terwijl je deze woorden nu leest. Aangezien de reeks gebeurtenissen in de geschiedenis in staat was het huidige moment te bereiken, moest er een begin van tijd zijn. De Big Bang is wat de klok van ons universum heeft doen tikken.

Bedenk dat ik het heb over ruimte en tijd in ons universum. Misschien bestond er iets onbekends voor ons, en is uit dat onbekende ons heelal ontstaan. Dat kan heel goed het geval zijn, maar we kunnen niet aan die onbekendheid denken op dezelfde manier als we denken aan ruimte en tijd in ons universum. Misschien was er een andere ruimte en tijd buiten onze ruimte en tijd, of misschien bestond er iets heel anders dan ruimte en tijd en gaf dat aanleiding tot de Big Bang. We weten het echt niet. Voor ons doel hier houden we onze discussie gericht op ruimte, tijd, materie en energie in ons heelal.

Okee, dus terug naar de Oerknal. De Oerknal-theorie kan niet precies beschrijven wat er gebeurde op het moment dat de Oerknal plaatsvond, maar het komt aardig in de buurt. Binnen de eerste zeer kleine fractie van een seconde (minder dan een triljoenste van een triljoenste van een triljoenste seconde) bevatte de Oerknal singulariteit dezelfde hoeveelheid materie en energie als wij vandaag hebben, maar in een andere vorm. Er is weinig bekend over de toestand van de materie zo vroeg in de tijd. We weten wel dat het heelal ongelooflijk snel uitdijde en afkoelde in een periode die bekend staat als ‘inflatie’. Het heelal dijt nu nog steeds uit, maar tijdens de inflatie ging de expansie veel sneller.

Aan het eind van deze inflatieperiode waren er elementaire deeltjes, licht, en energie. Als ik zeg ‘elementaire deeltjes’ bedoel ik deeltjes die nog kleiner zijn dan atomen – deeltjes die we, voor zover we weten, niet in kleinere deeltjes kunnen opsplitsen. Daarnaast kan er ook nog mysterieus spul bestaan hebben dat wij ‘donkere materie’ noemen. We zullen een bespreking van de elementaire deeltjes en donkere materie voor latere hoofdstukken bewaren.

Al deze deeltjes bewogen met ongelooflijk hoge snelheid in een ongelooflijk hete omgeving. Sommige van de elementaire deeltjes kwamen samen en vormden protonen en neutronen. Protonen en neutronen zijn de deeltjes waaruit de kern van een atoom is opgebouwd. Verschillende hoeveelheden protonen en neutronen vormen de kernen van verschillende atomen. (Kanttekening: het woord “kernen” betekent gewoon meer dan één kern.) De kleinste kernen zijn de kernen van waterstof- en heliumatomen. Zij bevatten slechts een paar protonen en neutronen. Toen het heelal bleef uitdijen en afkoelen, konden protonen en neutronen zich binnen de eerste 20 minuten combineren tot de kernen van heliumatomen. Ondertussen zweefden de elektronen nog steeds vrij rond. Pas ongeveer 379 000 jaar later begonnen elektronen rond kernen te draaien om waterstof- en heliumatomen te vormen – de eerste atomen van het heelal (figuur 1.1).

Inzoomen Uitzoomen Afbeeldingsgrootte resetten

Figuur 1.1. Dit zijn de gebruikelijke vormen van waterstof- en heliumatomen. De paarse cirkels stellen protonen voor, de gele zijn neutronen en de groene zijn elektronen. (Niet op schaal getekend. Eigenlijk kunt u ervan uitgaan dat alle afbeeldingen niet op schaal zijn getekend.)

Download figuur:

Standaardafbeelding Hoge-resolutieafbeelding

Lichtdeeltjes, ‘fotonen’ genoemd, bleven zich op eigen kracht voortbewegen. Deze fotonen reisden in de vorm van microgolfstraling (we zullen de verschillende vormen die licht kan aannemen in hoofdstuk 5 bespreken). Zij werden wat bekend staat als ‘de kosmische achtergrondstraling’. Deze kosmische straling is vandaag de dag nog steeds waarneembaar. In feite is het een van de belangrijkste bewijzen die de oerknaltheorie voor de geschiedenis van het heelal ondersteunen.

Toen zich eenmaal waterstof- en heliumatomen hadden gevormd, bleef het heelal uitdijen en afkoelen. Tegen de tijd dat 200 miljoen jaar na de Big Bang waren verstreken, was de temperatuur aanzienlijk gedaald, en werden de deeltjes minder energiek. In dichte gebieden konden waterstof- en heliumatomen door de aantrekkingskracht van de zwaartekracht samenklonteren tot klonters. Deze klonters van materie waren tamelijk gelijkmatig over het heelal verdeeld. Zij vormden het begin van sterrenstelsels zoals het Melkwegstelsel waarin wij leven. Binnen de sterrenstelsels bleef de materie in kleinere dichte gebieden samenkomen door de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. De atomen kwamen dicht genoeg bij elkaar om kernfusie te laten plaatsvinden. Dat is het moment waarop kernen van kleinere atomen samensmelten tot kernen van grotere atomen, waarbij energie vrijkomt. Deze hete, energieke atomenklonten waren de eerste sterren in het heelal.

In de sterren bleven waterstofatomen samensmelten tot heliumatomen, waarbij ze licht en warmte verspreidden. Sommige van deze sterren fuseerden al hun waterstof tot helium en gingen daarna verder met het fuseren van helium tot zwaardere elementen zoals koolstof en zuurstof. Maar bij de vorming van de zwaardere elementen kwam niet zoveel warmte vrij. De druk van de aantrekkingskracht van de zwaartekracht naar binnen toe begon de druk van de thermonucleaire verhitting naar buiten toe te overwinnen. In zware sterren veroorzaakte dit dat de kern van de ster instortte. Een zware ster in dit laatste stadium implodeert op fantastische wijze. De kern stort in tot een superdicht object, en de buitenkant volgt naar binnen. Het grootste deel van de ster stuitert dan van de dichte kern af en vliegt het heelal in. Deze explosie van een ster wordt een supernova genoemd. Supernova’s laten hun zwaardere elementen los in het heelal.

De zwaardere elementen worden dan gevangen in de sterrenstelsels door gravitationele aantrekkingskracht. Die elementen vormen nieuwe lichamen, zoals planeten. De aarde zelf is gemaakt van elementen die zich vormden in het binnenste van sterren in het vroege heelal. En ongeveer 8 miljard jaar na de oerknal begonnen de aarde en verschillende andere planeten in ons Melkwegstelsel rond de zon te draaien. Zo werd ons zonnestelsel gevormd.

De elementen die in de sterren ontstonden, veroorzaakten het ontstaan van leven op Aarde. De ster waar wij nu omheen draaien (de zon) levert nog steeds het licht en de energie die wij nodig hebben om te overleven. We danken ons bestaan dus letterlijk aan de sterren. En aangezien de elementen waaruit ons lichaam is opgebouwd van sterren afkomstig zijn, zijn wij in zekere zin sterrenstof.

Hoewel ik veel details heb weggelaten, brengt deze samenvatting ons op de hoogte van het ontstaan en de groei van het heelal in de afgelopen ongeveer 14 miljard jaar. Figuur 1.2 geeft een samenvatting van deze gebeurtenissen. In de volgende hoofdstukken zullen we bespreken hoe dit verbazingwekkende heelal werkt, en zullen we enkele van zijn meest mysterieuze kenmerken onderzoeken. We zullen de krachten ontrafelen die aan de basis liggen van de hele natuur. Met een goed begrip van ruimte, tijd, deeltjes en krachten, kunnen we ons verdiepen in Einsteins revolutionaire relativiteitstheorieën en de verbijsterende aard van de kwantummechanica. We zullen een aantal interessante vragen vanuit een natuurkundig perspectief onderzoeken, zoals of het mogelijk is om door de tijd te reizen. En we bespreken enkele van de meest verhelderende natuurkundige ontdekkingen van vandaag.

Inzoomen Uitzoomen Beeldgrootte resetten

Figuur 1.2. Tijdlijn van de belangrijkste gebeurtenissen sinds de Big Bang.

Download figuur:

Standaardafbeelding Hoge-resolutieafbeelding

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.