De Oerknal

Volgens de Bushongo in Centraal Afrika was er in het begin alleen de duisternis, het water, en de god Bumba. Toen Bumba op een dag enorme buikpijn kreeg, braakte hij de Zon, de Maan, en de sterren uit, en vervolgens de dieren en een enkele mens. Niet elk scheppingsverhaal is even genuanceerd. Maar in wat voor vorm ze ook komen, elke cultuur en elke religie door de eeuwen heen vertelt zijn eigen versie van het verhaal hoe de wereld is ontstaan. Wij bevinden ons heden in de bevoorrechte positie dat we de grote lijnen van dat verhaal kennen. Cruciale doorbraken in ons inzicht in de wetten van de natuur gepaard met baanbrekende waarneemexperimenten hebben ons in de laatste honderd jaar in staat hebben gesteld een coherent beeld te vormen van de geschiedenis en toekomst van het heelal. Een ding is zeker: het heelal begon zeker niet met een hoorbare knal.

Elk verhaal heeft een begin. Dat van het heelal begint 13.7 miljard jaar geleden, als de ruimte en tijd zelf ontstaan, en het heelal begint uit te dijen. Dat moment noemen we nu de oerknal, een term die in 1949 beschimpend werd gebruikt door een van de felste tegenstanders van de oerknaltheorie, Sir Fred Hoyle. Hoewel de term nu gemeengoed is, is de naam misleidend. Als er al sprake was van een knal, dan was die zeker niet alleen helemaal aan het begin. Het heelal dijt nu nog steeds uit, en we zitten dus nog midden in die explosie!

Met onze huidige kennis van de natuurkunde zijn we in staat te begrijpen wat er vlak na dat begin gebeurde. Zo weten we nu dat, toen het heelal slechts een fractie van een seconde oud was, de uitdijing exponentieel werd versneld door een onbekend energieveld dat het universum vulde. Gedurende deze zogenaamde periode van inflatie expandeerde het huidig waarneembaar heelal binnen luttele momenten van de grootte van vele malen kleiner dan een proton tot iets op zijn minst zo groot als een knikker. Hoewel het idee van inflatie pas in de jaren tachtig werd geïntroduceerd, werd de exponentieel versnelde expansie van de ruimte al in het begin van de vorige eeuw beschreven door onze landgenoot De Sitter, en is het nu een essentieel ingrediënt in ons begrijpen van het ontstaan van de wereld om ons heen.

Het heelal was in het begin gevuld met een oersoep van deeltjes (vooral waterstof, maar ook een beetje helium), donkere materie en licht. Alles was in een nagenoeg perfect evenwicht: van een hoorbare explosie was dus geenszins sprake! Het evenwicht werd slechts verstoord door zeer kleine rimpelingen. We weten nu dat alle structuur, dus ook de Zon, de Aarde, en wij zelf, is ontstaan uit die rimpels. De oorzaak ligt in de zogenaamde kwantumfluctuaties die inherent zijn aan de structuur van de ruimte-tijd op zeer kleine schaal.. Die fluctuaties zijn normaal zo klein dat ze nauwelijks waarneembaar zijn. Echter, door de plotselinge oprekking van de ruimte tijdens de inflatieperiode, worden deze microscopische fluctuaties opeens uitvergroot tot rimpelingen die we nu zelfs om ons heen kunnen waarnemen aan de hemel.

Wat zien we dan precies? In het begin is de oersoep zo dicht, dat het licht erin gevangen gehouden wordt. Als het heelal verder uitdijt, wordt de soep dun genoeg dat het licht kan ontsnappen, en vrij de ruimte in stroomt. Deze fotonen kunnen we nog steeds waarnemen als de kosmische achtergrondstraling, een nagloed van de oerknal die rondom ons aan de hemel te zien is. Deze straling is voor het eerst (bij toeval!) waargenomen in 1964 door Penzias en Wilson, die voor deze ontdekking de Nobelprijs ontvingen. Recente hoge precisie waarnemingen, gedaan door satellieten die speciaal hiervoor zijn ontworpen, gaven de meest gedetailleerde kaart van de achtergrondstraling ooit: een homogene gloed met zeer kleine fluctuaties. Voor het eerst hadden we een direct visueel beeld van de rimpelingen in de oersoep.

Die inhomogeniteiten, al aanwezig in de oersoep, trekken onder de invloed van de zwaartekracht samen. Gebieden met hogere dichtheid worden hierdoor dichter, en gebieden met lagere dichtheid worden dunner. Zowel wiskundige berekeningen als computersimulaties laten zien dat dit proces uiteindelijk leidt tot een materieverdeling met een structuur die op grote schaal veel weg heeft van een bijenkorf, of die van het schuim op uw bier. Als we alle waarneembare sterrenstelsels om ons heen in een kaart uitzetten, dan zien we inderdaad deze structuur van slierten en vlakken terug.

Het is in deze slierten dat de eerste sterren en groepen van sterren ontstaan. Grote hoeveelheden van het simpelste deeltje waterstof trekken samen in de hoge dichtheid gebieden van die schuimstructuur. De zwaartekracht in die gebieden is zo hoog dat het gas dermate wordt samengeperst dat kernfusie wordt geïnitieerd: de eerste ster is geboren. In het centrum van de ster wordt het waterstof uit de oersoep omgezet in complexere deeltjes, en de daarbij vrijgekomen energie wordt uitgestraald.

Dit proces gaat niet eeuwig door: zodra de brandstof op is, is het leven van een ster ten einde. Zware sterren sterven als een zogenaamde supernova. In een laatste adem stoot de ster zijn gas af in een explosie die zo helder is dat de gloed ervan met het blote oog te zien is op Aarde. Chinese astronomen, die het nog moesten doen met enkel hun blote oog, beschreven er al een in 185 na Christus! De deeltjes en het stof, afgestoten bij zo'n supernova, kunnen weer samentrekken tot een nieuwe ster, of zelfs tot planeten. Als de condities juist zijn kan daar leven ontstaan, maar dat is een ander verhaal. Duidelijk is dat alle zware deeltjes, dus ook die belangrijk voor leven op Aarde, zoals koolstof en zuurstof, ooit in de kern van een ster zijn gevormd. Wij zijn dus allen sterrenstof.

Hoewel we het verleden van het heelal steeds beter leren kennen, kunnen we over de toekomst slechts speculeren. Recente metingen aan de snelheid van de uitdijing van het heelal geven meer inzicht in het uiteindelijke lot van het universum. Zoals het er nu naar uitziet, zal de uitdijing nooit stoppen. De kringloop van sterrenstof zal doorgaan terwijl het heelal verder uitdijt. De hoeveelheid waterstof in het heelal is echter eindig, dus op een gegeven moment is die brandstof op. De vorming van nieuwe sterren is hiermee ten einde, en de sterren aan de hemel zullen doven.

Hoewel: aan elk goed verhaal zit een verrassende wending. Recente waarnemingen wijzen op een 'donkere energie', een energieveld dat de uitdijing lijkt te versnellen, een proces dat veel lijkt op wat gebeurde tijdens de kosmische inflatie. De exacte herkomst van de donkere energie en de gevolgen voor het heelal zijn vooralsnog onbekend.

Vooruitgang gaat niet zonder horten of stoten. Elke inzicht in dit stuk tekst is het resultaat van decennia lang onderzoek van hordes zeer getalenteerde mensen. Door hun jarenlange toewijding, hebben goden plaats gemaakt voor natuurkundige processen in onze moderne versie van het ontstaan van de wereld. Waar het heelal 13,7 miljard jaar over gedaan heeft, is in minder dan 100 jaar ontcijferd.

geschreven door Jelle Ritzerveld op 20-04-2007

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2019 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden