In een klimaat van voortdurende technologische vooruitgang en waarin de mysteries van de diepe ruimte antwoorden hebben gevonden die voorheen onvoorstelbaar waren, heeft ook u zich vast wel eens afgevraagd hoe groot het heelal is. Als de wedloop van de ruimte-exploratie ons heeft doen beseffen dat onze planeet slechts een stipje is in een grenzeloze kosmische woestijn, dan weet niet iedereen precies hoe groot het heelal eigenlijk is, althans volgens het meest algemeen aanvaarde kosmologische model, dankzij de gigantische en daverende explosie van de Big Bang.
Een explosie die meer dan 13 miljard jaar geleden schijnt te hebben plaatsgevonden, en die aanleiding heeft gegeven tot alles wat wij kennen, en ook tot alles wat tot nu toe onbekend is gebleven. Naarmate de technologie zich ontwikkelt, zijn astronomen in staat om terug te kijken in de tijd naar de momenten vlak na deze cruciale gebeurtenis, maar ze zijn nog steeds beperkt in het kwantificeren van de omvang van de kosmos, die natuurlijk wordt bepaald door een aantal verschillende factoren, waaronder, niet verrassend, vorm en uitdijing.
Wat is het heelal
Voordat we kunnen ontdekken, als we het al weten, hoe groot het heelal is, is het van fundamenteel belang om te begrijpen wat er werkelijk wordt bedoeld met deze term. In de wetenschappelijke literatuur, en in het bijzonder in die welke betrekking heeft op astronomische verschijnselen, wordt de naam heelal gebruikt om het geheel van de ruimte en alles wat zij omvat aan te duiden. Meer in het bijzonder gaat het om materie, energie, planeten en sterren, sterrenstelsels en de inhoud van de intergalactische ruimte in het algemeen. In essentie kunnen we het definiëren als ‘de totaliteit van alle dingen die bestaan’, en slechts een zeer klein deel daarvan is met het blote oog zichtbaar.
Gerekend vanuit ons lokale tijdsbestek is het heelal zo’n 13,8 miljard jaar geleden ontstaan door de eerder genoemde oerknal, momenteel de best aanvaarde hypothese onder wetenschappers, zij het met zijn duidelijke beperkingen. Volgens dit model speelden vier fundamentele krachten een sleutelrol in de “ruimtelijke genese”: de sterke kernkracht, de zwakke kernkracht, de gravitatiekracht en de elektromagnetische kracht. Dit alles ging gepaard met de vorming van protonen, elektronen en neutronen, die, toen de temperatuur daalde, aanleiding gaven tot heliumkernen, deuteriumkernen en atomen.
In deze fase bleef het heelal afkoelen en uitdijen, waardoor de juiste omstandigheden ontstonden voor de vorming van sterrenstelsels en sterren. Een echt post-Big Bang expansiepad, dat zijn eigenaardige evenwicht vond dankzij de aanwezigheid van gravitationele aantrekkingskracht, die de neiging heeft de afstand tussen sterrenstelsels te verkleinen en oneindige expansie te voorkomen. Wetenschappers hebben vandaag twee verschillende theorieën over de toekomstige evolutie van het heelal: de theorie van het gesloten heelal en de theorie van het open heelal.
Volgens de eerste theorie zou het heelal de neiging hebben om uit te dijen en vervolgens in te krimpen tot een zeer kleine massa met een hoge dichtheid; volgens de tweede theorie daarentegen zou het heelal oneindig uitdijen aangezien de hoeveelheid aanwezige materie niet voldoende is om de uitdijing te stoppen. Aan het begin van de jaren tachtig kwam er een nieuw model, het zogeheten inflatoire heelal, waarin het heelal snel in diameter zou zijn toegenomen met een factor 1050 ten opzichte van de meest geaccepteerde traditionele theorie.
Hoe groot is het heelal
Het waarneembare deel van het heelal vanaf de aarde met de technische apparatuur waarover wij beschikken, heeft een totale diameter van 93 miljard lichtjaar. Het is juist de wetenschappelijke en nauwgezette observatie van het heelal en zijn bewegingen die ons in staat heeft gesteld te begrijpen dat het gedurende het grootste deel van zijn geschiedenis en gedurende zijn gehele waarneembare omvang door dezelfde natuurkundige wetten en constanten wordt beheerst, met duidelijke gevolgtrekkingen in zijn eerste, en meest delicate, fase. Om precies te zijn kunnen we zeggen dat het waarneembare heelal het gebied van het heelal is dat vanaf de aarde zichtbaar is, en ongeveer een oneindig grote bol is, met een straal van 43 miljard lichtjaar.
Om een vergelijking ook voor de minder ervarene begrijpelijk te maken, moeten we bedenken dat de diameter van een typisch sterrenstelsel 30.000 lichtjaar is, en dat de typische afstand tussen twee naburige sterrenstelsels 3 miljoen lichtjaar is. Onze eigen Melkweg heeft bijvoorbeeld een diameter van ongeveer 100.000 lichtjaar, en het dichtstbijzijnde sterrenstelsel bij onze planeet, Andromeda, bevindt zich op een afstand van ongeveer 2,5 miljoen lichtjaar.
Het spreekt vanzelf dat in de kosmologie het werkelijk waarneembare heelal wordt “geborsteld” als een uitgestrekt gebied van de ruimte dat wordt omsloten door een bol met een waarnemer als middelpunt. Een bol die in feite alles omsluit wat hij kan waarnemen. In het algemeen bedoelen we dan het hele deel van het heelal dat door de mens kan worden onderzocht, en dus de bol met onze aarde als middelpunt, maar tegelijk is het gemakkelijk te begrijpen dat elke positie in de ruimte onvermijdelijk haar eigen specifiek waarneembaar universum bezit.
Als, absurd genoeg, het heelal niet, zoals eerder gezegd, continu zou uitdijen, zouden we de vraag “hoe groot is het heelal?” gemakkelijk kunnen beantwoorden met een triviale berekening: in de praktijk zou de straal van het waarneembare heelal gelijk zijn aan de afstand die door het licht is afgelegd in de tijd tussen het begin van het heelal, overeenkomend met 13,8 miljard lichtjaar, en de oerknal. Aangezien de uitdijing echter doorgaat, is de werkelijke afstand van deze horizon nu aanzienlijk groter, en kan deze niet met absolute precisie worden bepaald.
Vandaag de dag ligt datzelfde punt volgens de betrouwbaarste schattingen 46 miljard lichtjaar van ons vandaan, waardoor het waarneembare heelal een bol is met een diameter van ongeveer 93 miljard lichtjaar, zoals in de eerste alinea wordt beweerd. Deze omvang zou ongeveer 7×1022 sterren kunnen bevatten, georganiseerd in ongeveer 2×1012 sterrenstelsels, oftewel twee biljoen sterrenstelsels, die op hun beurt geclusterd zijn in groepen en clusters van sterrenstelsels en superclusters.
Het hypothetische aantal sterrenstelsels in het heelal dat wordt geëxtrapoleerd op basis van de structuur van de thans bekende Cosmical Optical Background is volgens recentere en nauwkeurigere waarnemingen echter slechts een fractie van het werkelijke aantal. Met een aantal dat bijgevolg minstens een of twee orden van grootte hoger ligt, nog afgezien van nog eens 90% van de sterrenstelsels in het waarneembare heelal die niet kunnen worden opgespoord met de telescopen waarover wij beschikken en die helaas nog niet krachtig genoeg zijn.
De leeftijd van het heelal
Al deze overwegingen maken het ons mogelijk te begrijpen dat het niet unaniem mogelijk is te bepalen hoe groot het heelal is. Universum dat, nu versnellend in zijn onstuitbare expansie, een grens stelt aan zijn waarneembare deel. De “grenzen” worden gemarkeerd door de zogenaamde kosmologische horizon, die wordt gedefinieerd als het gebied van het heelal waarachter elk voorwerp zich verwijdert van de waarnemer met een snelheid groter dan die van het licht. Het spreekt vanzelf dat deze horizon de maximale afstand vertegenwoordigt en afbakent waarmee geen oorzakelijk contact meer kan worden gemaakt: volgens dit astronomische principe zal er vanaf nu nooit meer een mogelijkheid zijn om enig signaal of enige gegenereerde informatie waar te nemen of uit te wisselen met gebieden voorbij de horizon, met de elementen die voor de waarnemer zelf “buiten de werkelijkheid gaan”.
In feite is de horizon, zoals velen van u reeds weten, een fysische limiet die wordt opgelegd door de eindige snelheid van het licht of van elke andere straling die door hemellichamen wordt uitgezonden, waarbij deze straling een bepaalde tijd nodig heeft om de waarnemer te bereiken, en die oneindig veel langer is dan de gemiddelde levensduur van de mens.
Echte moeilijkheden die verband houden met de omvang van het heelal, en die zich ook voordoen bij pogingen om de leeftijd ervan te bepalen, hoewel wij, voor zover mogelijk, tot een tamelijk “nauwkeurige” conventie zijn gekomen. Deze terminologie verwijst in het algemeen naar de tijd die is verstreken tussen de Big Bang en het heden, d.w.z. 13,82 miljard jaar om precies te zijn, volgens het Big Bang-model. Er zijn echter verschillende metingen die ons tenminste in staat stellen de leeftijd van het heelal te schatten. Tot de meest gangbare behoren in de eerste plaats de metingen van de kosmische achtergrondstraling en de uitdijing van het heelal. De eerste, om het zo eenvoudig mogelijk uit te leggen, beschouwt de afkoelingstijd van het heelal sinds de oerknal. Studies van de uitdijing van het heelal daarentegen maken het mogelijk een waarschijnlijke datum te berekenen voor het begin van de uitdijing zelf.
U zult begrijpen dat, aangezien wij niet precies weten wat er aan de Big Bang voorafging, de werkelijke leeftijd van het heelal veel hoger zou kunnen liggen dan de schattingen die thans door de wetenschappelijke gemeenschap worden gemaakt. Anderzijds, juist vanwege de onvermijdelijkheid van het heelal, zowel in termen van tijd als van omvang, wordt de term heelal in het gewone spraakgebruik zeer vaak misbruikt om te verwijzen naar het waarneembare heelal. Dit komt omdat, zoals wij eerder hebben uiteengezet, niet-waarneembare fysische verschijnselen paradigmatisch onbeschrijflijk zijn voor menselijke wetenschappelijke kennis.