Volgens het Boshongo volk afkomstig uit centraal Afrika, was er in het begin alleen maar duisternis, water en de god Bumba. Toen Bumba ongelofelijke pijn in zijn buik had, spuugde hij de zon uit. Na lang schijnen had de zon een groot deel van het water laten verdampen, wat er achter bleef was land. Bumba spuugde nog meer uit! Zo ontstonden de maan, de sterren en verscheidene dieren: luipaarden, krokodillen, schildpadden en uiteindelijk, de mens. Deze mythologische beschrijving heeft voor lange tijd veel houvast gehad. Inmiddels weten we natuurlijk beter, toch?

Door de eeuwen heen zijn de mensen het eens geworden dat ons universum altijd heeft bestaan, dit om problemen te voorkomen over zijn oorsprong. De Griek Aristoteles (384 v. Chr. 322 v. Chr.) keek ook zo tegen het bestaan aan, maar ondanks zijn grote invloed waren er meningsverschillen. Een andere kijk was de kijk vanuit een mythologisch oogpunt, een schepper onder de naam God de almachtige. Maar vandaag de dag lijken we alleen nog maar oog te hebben voor de zogenaamde ‘Big Bang’, oftewel de oerknal. De oerknal is een kosmologische theorie die beschrijft hoe het universum is ontstaan. Het is een theorie opgebouwd uit een groot aantal theorieën en door de mens opgestelde natuurwetten. De natuurkundige Isaac Newton (1643-1727) stelde een aantal wetten op waarin hij de zwaartekracht beschreef. Newton’s inzichten hebben veel bijgedragen geleverd aan de huidige kennis van de kosmologie.

De oerknaltheorie is een model die het ontstaan van ons universum beschrijft. De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein veronderstelt dat 13,7 miljard jaar geleden het heelal is ontstaan uit een singulariteit: het begin van de oerknal. De geleerde Albert Einstein (1879-1955) heeft de relativiteitstheorie (algemene en speciale) ontwikkeld. Deze theorie vormt de basis voor processen die plaatsvinden in de oerknal theorie.

De Speciale relativiteitstheorie

Een kromming in het vlak        Afbeelding 1

Einstein ontdekte in 1905 dat licht een vaste snelheid heeft: het komt altijd met 300.000 km/s naar je toe. Stel je voor dat er twee ruimteschepen zijn. Een ruimteschip staat stil en het andere ruimteschip vliegt met 20.000 km/h. Een lichtstraal passeert beide ruimteschepen. Allebei de schepen meten dezelfde lichtsnelheid. Hoe kan dat als de twee ruimteschepen niet dezelfde snelheid hebben? De speciale relativiteitstheorie zegt dat dit alleen maar kan als het verloop van tijd in de twee ruimteschepen verschilt. Dus het verloop van tijd hangt af van de snelheid die je hebt ten opzichte van een andere waarnemer. Tijd is een relatief begrip. De tijd in het ruimteschip dat snel beweegt ten opzichte van een waarnemer op een ander ruimteschip, verloopt volgens die waarnemer langzamer. Anders kan het licht zich niet vanaf beide ruimteschepen gezien met een snelheid van 300.000 km/h verplaatsen. Dus als je in een ruimteschip zit dat zich bijna net zo snel verplaatst als de lichtsnelheid kun je door de tijd reizen. Omdat de tijd in het ruimteschip langzamer verloopt dan daarbuiten.

Deze ontdekking van Einstein heeft het onder andere mogelijk gemaakt om een model op te stellen die het begin van het universum beschrijft. Dankzij deze theorie is bekend wat de maximum snelheid is en dat deeltjes zowel met of zonder massa niet sneller kunnen dan deze snelheid. Daarnaast zegt de theorie dat naarmate de massa van deeltjes groter wordt, hun snelheid ook groter wordt. Kortom de speciale relativiteitstheorie vormt de basis voor de verplaatsing van deeltjes.

De algemene relativiteitstheorie

Een zwart gat  Afbeelding 2 

De algemene relativiteitstheorie zegt dat massa’s de ruimte vervormen. Hoe groter de massa hoe meer de ruimte eromheen vervormd wordt. Deze vervorming kun je het beste uitleggen aan de hand van een 2 dimensionaal voorbeeld. Stel je voor je hebt een elastisch vlak. Daar komt een massa op te liggen. Door het gewicht ontstaat er onder de massa een kromming in het vlak, een soort knikkerput (zie afbeelding 1). Hoe groter de massa, hoe dieper de put. Alles wat vlakbij de massa komt en in de knikkerput, wordt afgebogen en gaat niet meer rechtdoor. In een vervormde ruimte zal licht dus worden afgebogen. De maan zit bijvoorbeeld in de knikkerput van de aarde. Daarom draait de maan om de aarde heen. Een zwart gat is een extreem voorbeeld van kromming van de ruimte. Hier is de kromming zo sterk dat zelfs licht er niet aan kan ontsnappen (zie afbeelding 2). Door deze kenmerken van de algemene relativiteitstheorie weten we hoe massa’s elkaar aan het begin van de oerknal hebben beïnvloedt en in vaste banen terecht zijn gekomen. Immers zorgt elke massa voor een nieuwe kromming van de ruimte, dus als je terug rekent en de verschillende massa’s in hun volgorde van ontstaan stuk voor stuk weg haalt kom je bij het middelpunt van ons universum, het punt waar de oerknal begon, ook wel de singulariteit genoemd.

Een singulariteit

Een singulariteit is een punt met een oneindig grote dichtheid, een oneindig klein volume en een temperatuur van 10²⁸ °C. Vandaag de dag speelt de ruimte- tijd een belangrijke rol. De ruimte heeft betrekking op de lengte, breedte en hoogte van het heelal en tijd geeft ons de mogelijkheid om gebeurtenissen als een opeenvolging van verschillende momenten te zien en staat ook wel bekend als de vierde dementie. De ruimte- tijd is in de singulariteit zodanig gekromd en samengepakt dat het feitelijk ophoudt te bestaan. Dit komt doordat de ruimte samenvalt met de tijd, dus als de ruimte dusdanig compact is wat kenmerkend is aan zijn volume, dan is de tijd zo kortstondig, dat deze als verwaarloosbaar kan worden beschouwd. Hieruit kun je concluderen dat onze natuurwetten in de singulariteit nog niet geldig waren, aangezien onze natuurwetten alleen geldig zijn in een ruimte- tijd situatie.

Een uitdijend heelal

Veel wetenschappers waren voor een statisch model. De Britse astronoom en kosmoloog genaamd Fred Hoyle (vooral bekend vanwege zijn oppositie tegen de oerknaltheorie, die hij Big Bang noemde) kwam met zijn eigen steady state theorie, een kosmologische theorie die ervan uitgaat dat het universum er altijd was en altijd zal uitdijen.

Hubble deed in 1929 een nieuwe ontdekking. Bovenop de Mount Wilson, met zijn 100-inch telescoop, analyseerde hij het lichtspectrum en constateerde een roodverschuiving. Dit is gebaseerd op het dopplereffect, de verandering van de golflengte van geluid of licht. Deze verandering wordt veroorzaakt doordat de afstand tot de bron groter of kleiner wordt. Als een waarnemer en een object uit elkaar bewegen dan wordt de frequentie van het licht kleiner, de golflengte groter en het licht roder (roodverschuiving). Andersom zal bij een situatie waarbij een waarnemer en een object naar elkaar toe bewegen, de frequentie toenemen, de golflengte kleiner worden en het licht blauwer (blauwverschuiving). Hubble gebruikte dit om de plaats en beweging van planeten vast te stellen. Uit de waargenomen roodverschuiving concludeerde Hubble dat het universum uitdijt. Ook ontdekte hij dat, naarmate de andere sterrenstelsels zich steeds verder weg bevonden, ze zich sneller van elkaar af bewogen. Hij bewees hiermee dat het heelal niet statisch, maar dynamisch is. Bij deze uitdijing was er sprake van een Hubble constanten. Dit verschijnsel werd een natuurwet de wet van Hubble en zorgde ervoor dat we het oerknalmodel konden uitbreiden na de singulariteit.

Het GUT-tijdperk

Annihilate   Afbeelding 3

De singulariteit knalt uiteen. Vanaf dit moment is de ruimte- tijd nog zo kort verwijderd van de singulariteit dat onze huidige natuurwetten nog niet gelden en wetenschappers het begin op basis van speculatie moet beschrijven. De zwaartekracht ontstaat 10^-43  seconden na de singulariteit uit een oernatuur. De andere natuurkrachten zaten verenigd in enkele superkrachten die beschreven kan worden door een theorie, genaamd Great Unified Theory (GUT). De standaard oerknaltheorie beschrijft dat het universum uitdijt vanaf het begin van de singulariteit. In het heelal ontstaan bouwstenen van materie en antimaterie: quarks, leptonen en straling. Quarks en leptonen zijn subatomaire deeltjes, zij zijn kleiner dan een atoom. Van beide bestaat een antideeltje, dit is gelijk aan materie, behalve dat een aantal eigenschappen (waaronder lading van het antideeltje) tegengesteld zijn. Positron (positieve lading) is het antideeltje van het elektron (negatieve lading). Als een deeltje haar antideeltje tegenkomt, verdwijnen ze beiden volledig, en worden ze volledig omgezet in energie. Die energie gaat verder door het leven in de vorm van twee fotonen, dit ziet eruit als een lichtflits. Dit proces noem je annihilatie (zie afbeelding 3) en volgt uit de formule van Einstein E=mc² (speciale relativiteitstheorie). Hierbij wordt de massa (kg) maal de constante lichtsnelheid (m/s) gedaan waarbij energie (J) ontstaat. Andersom kan het voorkomen dat twee botsende fotonen zich omzetten in een deeltje en haar antideeltje, er worden dan een elektron en positron gevormd. Dit proces heet paarvorming (zie afbeelding 3). Tijdens de GUT- tijdperk was er meer materie dan antimaterie aanwezig, dat verklaard dat er nu materie aanwezig is in het heelal en niet alleen straling.

Het inflatie-tijdperk

Na 10^-35 seconden is de temperatuur van het heelal 755 ˚C. De deeltjes maken zich los uit de superkracht. In een fractie van een seconden groeit het heelal veel sneller dan volgens onze natuurwetten mogelijk is. De theorie die dit beschrijft heet de kosmische inflatie- theorie. Deze zegt dat in de jonge fase van het heelal de zwaartekracht niet op een voor ons normale manier werkte. De zwaartekracht zou niet aantrekkend tussen twee voorwerpen hebben gewerkt, maar wegduwend hebben gewerkt. In een heel korte periode kan het heelal zo met een factor 1025 tot 2050 zijn gegroeid in slechts 10^-32 seconden.

 Het hadronen-tijdperk

Na 10^-10 seconden is het universum koel genoeg voor het in werking stellen van de kracht die verantwoordelijk is voor radioactief verval en elektromagnetische kracht. De natuurwetten gelden: de oerknal is vanaf nu wetenschap en geen speculatie meer. De quarks hebben onvoldoende energie om onafhankelijk door het leven te gaan, ze klitten samen waardoor hadronen (verzamelnaam voor protonen, antiprotonen, neutronen en antineutronen) ontstaan.

Het leptonen-tijdperk

Na 10^-4 seconden worden er geen nieuwe hadronen meer gevormd, van de bestaande hadronen gaat het grootste deel op in straling, door te botsen met hun antideeltje. Door de grote hoeveelheid botsingen tussen materie en antimaterie worden er veel fotonen het heelal ingestuurd (zie afbeelding 3). Er blijft alleen nog maar materie over in de vorm van protonen en neutronen. Elektronen en positronen ontstaan nog door annihilatie en paarvorming, tot 1 seconde. Vanaf nu is het heelal te koel voor paarvorming. Annihilatie vindt nog steeds plaats, waardoor het heelal gevuld wordt met fotonen (1 hadron per 1,7 miljard fotonen). Hierdoor verdwijnen de positronen en blijven er veel elektronen achter, aangezien de elektron materie is en dus in de meerderheid is.

Vorming van atoomkernen

Samengeklitte protonen en neutronen worden uit elkaar gedreven door de hoge energie waarden van fotonen. 100 seconden na de oerknal is het heelal in een situatie waarbij deuteriumkernen (een zwaar waterstof atoomkern gevormd door samengeklitte protonen en neutronen. Een isotoop van waterstof maar twee keer zo zwaar: één neutron en één proton in de kern i.p.v. alleen één proton) kunnen ontstaan. Ondanks dat er ongeveer evenveel protonen als neutronen zijn aangemaakt, is het aantal neutronen ondertussen sterk gedaald door het radioactief verval. Dit heeft ervoor gezorgd dat een neutron spontaan wordt omgezet in een proton, een elektron in een neutrino (ongeladen subatomair deeltje die bewegen met de snelheid van het licht en een verwaarloosbare kleine massa hebben) . De gevormde protonen zullen een neutron vinden om mee te binden, maar veel protonen blijven alleen achter. De overgebleven protonen zijn waterstofkernen. Uit het samenklitten van protonen en deuteriumkernen ontstaan verder nog andere lichte atoomkernen (o.a. helium-3 kernen, helium-4 kernen, tritiumkernen en lithiumkernen). Na 30 minuten heeft het heelal een temperatuur bereikt waarbij verhoudingen tussen elementen in stand gehouden worden. 75% van de massa zit uiteindelijk in waterstofkernen, 24% in heliumkernen en 1% in andere soorten kernen.

 Vorming van atomen, ontkoppeling van straling en materie

Gedurende 300.000 jaar blijven in het heelal een groot aantal atoomkernen, elektronen en fotonen bestaan die continu met elkaar botsen en energie uitwisselen. Hierdoor kunnen fotonen niet vooruit gaan zonder geabsorbeerd te worden of te botsen, waardoor ze van baan afwijken. Atomen hebben ook geen lang leven, als elektronen zich aan een kern binden worden ze even later losgeslagen door een vrijkomend foton.

kosmische achtergrondstraling      Afbeelding 4

Na 300.000 jaar is de temperatuur gezakt tot ongeveer 2727 ˚C. Fotonen hebben nu onvoldoende energie om elektronen los te slaan van atoomkernen, de eerste atomen kunnen ontstaan. Ook worden er in sommige gevallen één of meer elektronen of protonen toegevoegd aan atomen, er ontstaan ionen, dit proces heet ionisatie. Fotonen worden ook niet meer constant geabsorbeerd, waardoor hun baan recht blijft. Straling en materie zijn ontkoppeld. Fotonen die nu vrijkomen nemen we waar als kosmische achtergrondstraling. Deze bevindt zich in alle richtingen van het heelal. Onderzoekers zijn deze straling met de COBE- satelliet na gegaan, aangezien fotonen een grote hoeveelheid warmte hebben geproduceerd (zie afbeelding 4). Een groot aantal wetenschappers heeft onderzoek verricht naar de kosmische achtergrondstraling. Omdat er veel warmte in de kosmische achtergrond zat werd ervan uit gegaan dat de kosmische achtergrondstraling uit energetische geladen deeltjes bestaat. Dit betekend dat de deeltjes beïnvloedt worden door het magnetische veld van de aarde: het aantal deeltjes dat de aarde zou bereiken zou afhankelijk zijn van de richting en sterkte van het magnetisch veld. In 1932 voorspelde Georges Lemaître en Manuel Sandova Vallarta dat de intensiteit van de kosmische deeltjes afhangt vanwaar de deeltjes vandaan kwamen, inmiddels de lemaître-vallarta theorie.

Vorming van sterren en sterrenstelsels

Na 300.000 jaar verdween de fotondruk op de materie, de zwaartekracht kon nu de onregelmatigheden versterken en de massa in het heelal doen samenklonteren tot kleine en compacte gaswolken. Na 1 miljard jaar zijn hieruit de eerste sterrenstelsels ontstaan.

ONTWIKKELINGEN BINNEN DE KOSMOLOGIE

Ook in Nederland zijn er ontwikkelingen binnen de astronomie. Het instituut ASTRON, ofwel Astronomisch Onderzoek in Nederland is een instituut dat zich bezig houdt met radioastronomie, dit is het deelgebied van de astronomie dat met radiogolven (golven in de vorm van elektromagnetische straling met golflengten van enkele centimeters tot meters) het heelal bestudeert. Door de grote golflengte worden meerdere radiotelescopen ingezet. ASTRON heeft de beschikking over een nieuwe radiotelescoop, LOFAR. Deze is in staat zeer grote golflengten te handhaven. De LOFAR dient in combinatie met een supercomputer gebruikt te worden. Deze moet enorme hoeveelheden data verwerken naar bruikbare beeldinformatie voor de wetenschap. Naast de ontwikkelingen binnen ASTRON zijn er ook ontwikkelingen met de kepplersatelliet, hier kan de sterrenkundige Peter van Wijlick meer over vertellen:

“Momenteel is de Kepplersatelliet op zoek naar een ster die lijkt op onze zon en waar omheen een planeet draait (een zogenaamde exoplaneet) die zich op ongeveer dezelfde afstand bevindt van de ster waar hij omheen draait als de aarde zich bevindt ten opzichte van de zon. Daar moet het dan ongeveer even heet zijn als op aarde, wat betekent dat er vloeibaar en gasvormig water op moet kunnen voorkomen. Vloeibaar water zorgt ervoor dat chemische processen snel kunnen plaatsvinden, zodat een evolutie zich er vergelijkbaar snel als op aarde zou kunnen voltrekken. Als we eenmaal enkele van dergelijke planeten hebben gevonden, moeten we met spectroscopie de atmosfeer van die planeten gaan onderzoeken. Als er water, zuurstof, koolstofdioxide en ozon in voorkomen, weten we bijna zeker dat er leven op die exoplaneet bestaat. Andere satellieten onderzoeken de chemische samenstelling van grote gaswolken in het heelal, waardoor we een beter zicht krijgen op chemische processen die zich daarin afspelen. En er zijn plannen voor het lanceren van een opvolger van de uiterst succesvolle Hubble space telescope, The Webb Telescope. Verder staan er plannen op stapel om satellieten te lanceren (onder andere Lisa) die zwaartekrachtsgolven moeten gaan detecteren die worden uitgezonden door extreem massieve objecten die rondom elkaar heen draaien, zoals twee zwarte gaten of twee neutronensterren.”

‘Binnen 10 jaar zullen we waarschijnlijk een aantal exoplaneten vinden die vrijwel identiek zijn aan onze aarde. Hoever de evolutie daar is gevorderd is daarmee niet direct duidelijk, maar misschien kunnen we ook daar iets over te weten komen. Zwaartekrachtsgolven kunnen ons ook iets leren over de tijd van voor circa 280.000 jaar na de oerknal toen het heelal nog te compact was om straling uit te zenden die niet direct geabsorbeerd werd door rondvliegende elektronen. Op die manier leren we iets over hoe het heelal er aan toe was voor die 280.000 jaar na de oerknal. Tot nu toe is de achtergrondstraling de oudste straling van de oerknal die we kunnen detecteren en die stamt af van 280.000 jaar na de oerknal.” aldus Peter van Wijlick.

© Bradley Hunsel