10 Weetjes over de Oerknal – Het ontstaan van het heelal

Hoe ontstond het heelal? Iedereen heeft wel eens iets gehoord over de ‘oerknal’ of, in het Engels, de ‘Big Bang’. Tegenwoordig gaan wetenschappers ervan uit dat het heelal zo’n 13,8 miljard jaar geleden ontstaan is uit één punt met een bijna oneindige dichtheid en een enorm hoge temperatuur. Vanaf dat punt ontstond de ruimte en de tijd.

Het heelal is nog steeds aan het ‘uitzetten’ en koelt nog steeds af, vele miljarden jaren na de oerknal. De inzichten over de oerknal groeiden in de loop van de 20ste eeuw. De hoofdrolspelers in het verhaal waren onder meer Albert Einstein, Georges Lemaître, Alexander Friedmann, Edwin Hubble, George Gamow, Arno Penzias en Bob Wilson. Lees hieronder hoe de ‘Big Bang’-theorie stilaan vorm kreeg, wie de voor- en tegenstanders waren en wie de naam ‘Big Bang’ voor het eerst liet vallen.

10. Einstein was niet overtuigd

einstein en lemaitre
California Institute of Technology

Albert Einstein was ongetwijfeld een van de grootste natuurkundigen die ooit heeft geleefd. Zijn algemene relativiteitstheorie was een aanvulling en verbetering van de natuurkundige wetten die Isaac Newton eeuwen voordien had vooropgesteld. De Belgische priester en astronoom Georges Lemaître en de Russische astronoom Alexander Friedmann baseerden zich op de algemene relativiteitstheorie om onafhankelijk van elkaar een model op te stellen van een uitdijend heelal. Dit gebeurde in de jaren twintig van de vorige eeuw. Volgens de theorieën van Lemaître en Friedmann was het heelal niet statisch, maar integendeel nog steeds aan het uitzetten en dus mogelijk ontstaan uit één punt. Dat was niet naar de zin van Einstein, die in die tijd nog geloofde in een statisch en onveranderlijk heelal. Hij schreef daarom aan Lemaître de beroemd geworden woorden: ‘Uw wiskunde is geniaal, maar uw natuurkunde trekt op niks’.

9. De ontdekking van Edwin Hubble

ontdekking edwin hubble

De Amerikaanse astronoom Edwin Hubble (naar hem werd de Hubble-ruimtetelescoop genoemd) bestudeerde in de jaren twintig van de vorige eeuw de bewegingen van sterrenstelsels. In 1929 ontdekte Hubble dat sterrenstelsels zich blijkbaar van de aarde verwijderden, op basis van de zogenaamde ‘roodverschuiving’ in het licht dat door sterrenstelsels wordt uitgezonden. Hoe groter de afstand tussen de sterrenstelsels en de aarde, hoe sneller de sterrenstelsels ‘wegvlogen’ van de aarde. Door de spectaculaire ontdekking van Hubble raakte Georges Lemaître er nog meer van overtuigd dat het heelal voortdurend aan het uitdijen was. Het was een mijlpaal in de ontstaansgeschiedenis van de bigbangtheorie.

8. Gedurende tientallen jaren geloofde vrijwel niemand in een oerknal

oeratoom

Lemaître en Friedmann kwamen al in de jaren twintig van de vorige eeuw met het idee dat de ruimte niet onveranderlijk was. De waarnemingen van Hubble leken het model van een uitdijend heelal te bewijzen, maar toch werd de theorie zeker niet algemeen aanvaard.

Lemaître ging nog een stapje verder. Als de ruimte voortdurend aan het uitdijen was, moet in een ver verleden het heelal veel kleiner zijn geweest. Nog kleiner dan een atoom zelfs. Lemaître noemde het beginpunt van het heelal daarom het ‘oeratoom’. In 1931 publiceerde Lemaître zijn vooruitstrevende ideeën over het ontstaan van het heelal, een publicatie die in de wetenschappelijke wereld heel wat stof deed opwaaien.

7. Verder onderzoek in de jaren 40 van de vorige eeuw

verder onderzoek
NASA/WMAP Science Team

Niet alle wetenschappers deden de theorie over de oerknal af als pure nonsens. George Gamow was een Sovjet-Russische kerngeleerde die emigreerde naar de Verenigde Staten. Hij werd vooral bekend om zijn baanbrekend werk over de vorming van zwaardere elementen uit lichtere elementen, zoals de vorming van helium uit waterstof die plaatsvindt in sterren. Hij was sterk geïnteresseerd in de ideeën van Lemaître over het ontstaan van het heelal. Gamow redeneerde dat de zwaardere elementen gevormd moesten zijn bij veel hogere temperaturen dan diegene die nu in het heelal voorkomen. Oorspronkelijk moest er dus een veel kleiner heelal geweest zijn dat ook veel warmer was, zodat helium door kernfusie kon gevormd worden uit waterstof en nog andere zwaardere elementen konden ontstaan uit lichtere elementen. Zijn theorie werd bekend als de ‘Hete Oerknal’-theorie. Gamow leidde uit zijn berekeningen ook af dat er in het heelal nog steeds een warmtestraling moest aanwezig zijn als overblijfsel van de oerknal. Die reststraling kan men tegenwoordig meten en wordt kosmische achtergrondstraling genoemd (niet te verwarren met kosmische straling, die een andere oorsprong heeft).

6. De benaming ‘Big Bang’ komt van een tegenstander

naam big bang

Hoewel Gamow een belangrijke bijdrage had geleverd aan de oerknaltheorie, bleven de meeste natuurkundigen in de jaren 40 en 50 van de vorige eeuw erg sceptisch. De theorie over het statische, onveranderlijke heelal haalde in die jaren nog steeds de bovenhand. Een verwoed tegenstander van de oerknaltheorie was Fred Hoyle, een Brits astronoom. In een radio-interview voor de BBC in 1949 liet Hoyle voor het eerst de term ‘Big Bang’ vallen. Tijdens het interview stelde hij dat ‘De bigbangtheorie voor hem helemaal niet voldeed, zelfs zonder de theorie diepgaand te bestuderen’. De benaming ‘Big Bang’, oorspronkelijk dus denigrerend bedoeld, wordt sindsdien algemeen gebruikt in de wetenschap.

5. Ontdekking van de kosmische achtergrondstraling in 1964

Holmdel Horn Antenna
NASA

George Gamow had de kosmische achtergrondstraling als reststraling van de oerknal al in 1948 voorspeld, maar niemand was in staat om die warmtestraling te detecteren. In 1964 vingen Arno Penzias en Bob Wilson echter een uniform signaal op met de Holmdel Horn Antenna, een enorme hoornvormige antenne die in de jaren 60 werd gebruikt als radiotelescoop in de Verenigde Staten. Het signaal leek van overal uit de hemel te komen. Penzias en Wilson dachten in eerste instantie dat er iets mis was met hun antenne. Ze onderzochten de Holmdel Horn Antenna en verwijderden een hoop vogelnesten en vogelpoep in de antenne (!), maar het storend signaal bleef aanwezig. Toen drong het tot Penzias en Wilson door dat dit de reststraling van de oerknal was die Gamow vele jaren eerder voorspeld had. Deze ontdekking leidde tot de doorbraak van de bigbangtheorie, die voortaan door de meeste astronomen werd aanvaard als model voor het ontstaan van het heelal.

4. De oerknal verklaart de ontstaansgeschiedenis van sterren, sterrenstelsels en planeten

oerknal

Na de oerknal vormden zich atoomkernen en neutrale atomen, het heelal begon af te koelen en onder invloed van de zwaartekracht klonterde materie samen. Zo ontstonden de eerste sterren, 50 tot 100 miljoen jaar na de ‘Big Bang’. Het duurde nog veel langer, zo’n 150 tot 250 miljoen jaar na de oerknal, tot de eerste sterrenstelsels verschenen. Grote sterrenstelsels zoals de Melkweg hadden miljarden jaren nodig om zich te vormen. Voordat de eerste rotsachtige planeten ontstonden, waren er vele generaties sterren aan het einde van hun bestaan gekomen via indrukwekkende supernova’s. We leven nu 13,8 miljard jaar na de oerknal. Het is misschien geen toeval dat de mensheid nu pas op de aarde rondloopt, de ruimte bestudeert en het uitdijende en afkoelende heelal begint te begrijpen. Mogelijk is nu, 13,8 miljard jaar na de Big Bang, de tijd pas rijp om leven op rotsachtige planeten mogelijk te maken en te laten evolueren tot intelligente levensvormen.

3. Zeer kleine variaties in de kosmische achtergrondstraling

Cosmic Background Explorer

De kosmische achtergrondstraling is de warmtestraling die werd uitgezonden vlak na de oerknal, en die nog steeds waarneembaar is. De temperatuur die overeenkomt met de kosmische achtergrondstraling bedraagt nog slechts 2,725 Kelvin. De satelliet Cosmic Background Explorer (COBE) werd door NASA in 1992 in een baan om de aarde gebracht om de reststraling van de oerknal nader te bestuderen. Uit de observaties van de satelliet bleek dat er heel kleine variaties waren in kosmische achtergrondstraling, die overeenkwamen met een temperatuurverschil van slechts 100 microKelvin, dus slechts 0,0001 Kelvin! Dit betekent dat het heelal vlak na de oerknal een heel uniforme dichtheid bezat. Slechts 1 deeltje per 30000 deeltjes week af van de rest. Toch waren het deze geringe variaties in dichtheid die de sterrenstelsels, sterren, planeten en andere hemellichamen deden ontstaan.

2. Was er een enorme uitzetting van het heelal vlak na de oerknal?

kosmische inflatie

Nieuwe inzichten wijzen erop dat de oorspronkelijke theorie over de oerknal en de geleidelijke expansie van het heelal in de miljarden jaren erna, niet helemaal klopt. Sommige sterrenstelsels staan daarvoor simpelweg al op een te grote afstand van elkaar . Een nieuwe theorie, ontwikkeld door de natuurkundige Alan Guth in 1981, stelt dat het heelal enorm sterk uitzette in de allereerste fractie van een seconde na de oerknal. Volgens deze theorie van ‘kosmische inflatie’ zou het heelal in een minuscule tijdsspanne van 10−35  seconde zo maar eventjes tussen de 1030 en 10100 keer groter geworden zijn. Observaties van de kosmische achtergrondstraling lijken deze theorie te bevestigen.

1. Hoe eindigt het heelal?

einde van het heelal

De ‘Big Bang’-theorie geeft ons een inzicht in het ontstaan van het heelal. Maar hoe zal het heelal ooit eindigen? Ook hierover bestaan er verschillende theorieën, maar geen enkele theorie is wetenschappelijk bewezen. Het lijkt erop dat het heelal steeds sneller uitdijt en dat sterrenstelsels zich steeds verder van elkaar verwijderen. Het is mogelijk dat het heelal uiteindelijk een ‘warmtedood’ sterft, met sterren die uitdoven en zwarte gaten vormen, die elkaar op de duur opslokken. Hierdoor blijft er alleen maar een lege, koude en donkere ruimte over. Het is ook mogelijk dat alle materie uit elkaar wordt gerukt, ook de atomen en atoomkernen (de ‘Big Rip’). Sommige wetenschappers geloven erin dat het heelal, na miljarden jaren van uitdijen, terug in elkaar krimpt en terug een punt gaat vormen met een oneindige dichtheid (de ‘Big Crunch’). Hoe het heelal ook aan zijn einde komt, wij zullen het in ons leven gelukkig niet meer meemaken…

We hebben er wel een apart lijstje over gemaakt dat je vast ook interessant vindt, de 10 manieren waarop het heelal kan eindigen

Meer interessante lijstjes over de ruimte