Wat is er aan de rand van het heelal?

Het is anno 2019 een routinematige emotie om vier of vijf keer op een dag dringend te wensen niet zomaar de ruimte in te worden gelanceerd, maar naar de uiterste rand van het heelal, zo ver als maar mogelijk is van de koortsdroom van slecht weer, kapotte treinen en mogelijk kankerachtige dijbeenletsels die het leven op aarde vormen. Maar wat zou er op je wachten, daar aan de kosmologische grens? Is het wel een grens, of hebben we hier eerder te maken met een soort onvoorstelbaar groot plafond? Is er überhaupt wel een grens/plafond daarboven? Voor de Giz Asks van deze week spraken we met een aantal kosmologisch georiënteerde natuurkundigen om daar achter te komen.

Sean Carroll

Onderzoekshoogleraar natuurkunde, Caltech, wiens onderzoek zich onder meer richt op kwantummechanica, gravitatie, kosmologie, statistische mechanica en grondslagen van de natuurkunde

Er is geen rand aan het heelal, voor zover we weten. Er is wel een rand aan het waarneembare heelal, maar we kunnen niet ver kijken. Dat komt omdat licht met een eindige snelheid reist (één lichtjaar per jaar), dus als we naar verre dingen kijken, kijken we ook terug in de tijd. Uiteindelijk zien we wat er bijna 14 miljard jaar geleden gebeurde, de overgebleven straling van de oerknal. Dat is de kosmische microgolf-achtergrond, die ons van alle kanten omringt. Maar het is niet echt een fysische “rand” in welke zin dan ook.

Omdat we maar zover kunnen kijken, weten we niet zeker hoe de dingen er buiten ons waarneembare heelal uitzien. Het universum dat we zien is tamelijk uniform op grote schalen, en misschien gaat dat letterlijk eeuwig door. Een andere mogelijkheid is dat het heelal ronddraait als een (driedimensionale versie van een) bol of torus. Als dat waar zou zijn, dan zou het heelal eindig zijn in totale omvang, maar nog steeds geen rand hebben, net zoals een cirkel geen begin of einde heeft.

Het is ook mogelijk dat het heelal niet uniform is voorbij wat wij kunnen zien, en dat de omstandigheden van plaats tot plaats sterk verschillen. Die mogelijkheid is het kosmologisch multiversum. We weten niet of er een multiversum in deze zin bestaat, maar aangezien we eigenlijk niet kunnen zien hoe het zit, is het verstandig om een open geest te behouden.

Jo Dunkley

Professor, Natuurkunde en Astrofysica, Princeton University, wiens onderzoek zich richt op kosmologie en het bestuderen van het ontstaan en de evolutie van het heelal

Meer van hetzelfde!

Okee, dus we denken eigenlijk niet dat er een rand aan het heelal is. We denken dat het ofwel oneindig ver doorgaat in alle richtingen, of misschien is het op zichzelf ingepakt zodat het niet oneindig groot is, maar toch geen randen heeft. Het oppervlak van een donut is ook zo: het heeft geen rand. Het is mogelijk dat het hele universum ook zo is (maar dan in drie dimensies – het oppervlak van een donut is slechts tweedimensionaal). Dat betekent dat je met een ruimteschip in elke richting de ruimte in zou kunnen gaan, en als je maar lang genoeg zou reizen zou je weer terugkomen waar je begonnen was.

Maar er is ook iets dat we het waarneembare heelal noemen, dat is het deel van de ruimte dat we daadwerkelijk kunnen zien. De rand daarvan is de plaats waarachter het licht sinds het begin van het heelal nog geen tijd heeft gehad om ons te bereiken. Dat is slechts de rand van wat we kunnen zien, en daarachter bevindt zich waarschijnlijk nog meer van hetzelfde spul dat we om ons heen kunnen zien: superclusters van melkwegstelsels, elk enorm melkwegstelsel met miljarden sterren en planeten.

Jessie Shelton

Assistent Professor, Natuurkunde en Astronomie, Universiteit van Illinois Urbana-Champaign, wiens onderzoek zich richt op astrofysica en kosmologie

Dat hangt ervan af wat je onder de rand van het heelal verstaat. Omdat de lichtsnelheid eindig is, kijken we, als we verder en verder in de ruimte kijken, steeds verder terug in de tijd – zelfs als we naar het sterrenstelsel naast ons, Andromeda, kijken, zien we niet wat er nu gebeurt, maar wat er tweeënhalf miljoen jaar geleden gebeurde, toen de sterren van Andromeda het licht uitstraalden dat onze telescopen nu pas kunnen waarnemen. Het oudste licht dat we kunnen zien, komt van het verste weg, dus in zekere zin is de rand van het heelal datgene wat we kunnen zien in het oudste licht dat ons bereikt. In ons heelal is dit de kosmische microgolf-achtergrond – een zwak, aanhoudend nagloeien van de oerknal, dat aangeeft wanneer het heelal voldoende is afgekoeld om atomen te laten ontstaan. Dit wordt het oppervlak van de laatste verstrooiing genoemd, omdat het de plaats markeert waar fotonen ophielden met pingpongen tussen elektronen in een heet, geïoniseerd plasma en begonnen naar buiten te stromen door de transparante ruimte, helemaal over miljarden lichtjaren tot bij ons op aarde. Je zou dus kunnen zeggen dat de rand van het heelal het oppervlak van de laatste verstrooiing is.

Wat is er op dit moment aan de rand van het heelal? Nou, dat weten we niet – dat kunnen we niet, we zouden moeten wachten tot het licht dat daar nu wordt uitgezonden vele, vele miljarden jaren in de toekomst hier is, en aangezien het heelal steeds sneller uitdijt, zal het waarschijnlijk helemaal niet in staat zijn om hier te komen – maar we kunnen wel een gokje wagen. Op de grootste schalen ziet ons heelal er vrijwel hetzelfde uit, in welke richting we ook kijken. De kans is dus groot dat als je vandaag aan de rand van ons waarneembare heelal zou staan, je een heelal zou zien dat er min of meer hetzelfde uitziet als het onze – sterrenstelsels, groot en klein, in alle richtingen. Een heel goede gok voor wat er nu aan de rand van het heelal is, is dus gewoon: meer heelal: meer sterrenstelsels, meer planeten, misschien zelfs meer levende wezens die dezelfde vraag stellen.

Michael Troxel

Assistent Professor, Natuurkunde, Duke University, wiens onderzoek zich richt op observationele en theoretische kosmologie

Ondanks dat het heelal waarschijnlijk oneindig groot is, is er in feite meer dan één praktische ‘rand’.

Wij denken dat het heelal in feite oneindig is – er zit geen rand aan. Als het heelal ‘plat’ is (als een vel papier), zoals we met een nauwkeurigheid van meer dan een procent hebben getest, of ‘open’ (als een zadel), dan is het werkelijk oneindig. Als het ‘gesloten’ is, wat een beetje lijkt op een basketbal, dan is het niet oneindig. Maar als je maar ver genoeg in één richting gaat, kom je uiteindelijk toch weer uit waar je begonnen bent – denk maar aan het bewegen langs het oppervlak van de bal. Zoals een hobbit genaamd Bilbo ooit zei: “The Road goes ever on and on/Out from the door where it began” (over and over…).

Het heelal heeft nog steeds een ‘randje’ voor ons, hoewel-twee, eigenlijk. Dit komt door een onderdeel van de Algemene Relativiteit dat zegt dat alle dingen (inclusief licht) in het heelal een snelheidslimiet hebben – ongeveer 670 miljoen mijl per uur – en die snelheidslimiet is overal hetzelfde. Onze metingen vertellen ons ook dat het heelal in alle richtingen uitdijt, en niet zomaar uitdijt, maar in de loop van de tijd steeds sneller uitdijt. Dit betekent dat wanneer wij een voorwerp waarnemen dat heel ver van ons vandaan is, het licht van dat voorwerp er enige tijd over doet om ons te bereiken (de afstand gedeeld door de lichtsnelheid). Het lastige is dat, omdat de ruimte uitdijt terwijl dat licht naar ons toe reist, de afstand die het licht moet afleggen ook toeneemt in de tijd op weg naar ons toe.

Het eerste wat je je dus zou kunnen afvragen is wat de verste afstand is waarop we licht van een object zouden kunnen waarnemen als het helemaal aan het begin van het heelal (dat is ongeveer 13,7 miljard jaar oud) zou zijn uitgezonden. Dit blijkt ongeveer 47 miljard lichtjaar weg te zijn (een lichtjaar is ongeveer 63.241 keer de afstand tussen de aarde en de zon), en wordt de ‘comoving horizon’ genoemd. Je kunt de vraag ook iets anders stellen. Als we een bericht met de lichtsnelheid versturen, wat is dan de verste afstand dat iemand van een andere planeet het ooit zou kunnen ontvangen? Dit is nog interessanter, omdat de uitdijingssnelheid van het heelal in de toekomst sneller wordt (in plaats van langzamer in het verleden).

Het blijkt dat zelfs als de boodschap een eeuwigheid zou reizen, hij alleen ooit iemand zou kunnen bereiken die nu 16 miljard lichtjaar van ons vandaan is. Dit wordt de ‘kosmische waarnemingshorizon’ genoemd. De verste planeet die we tot nu toe hebben kunnen waarnemen, staat echter maar 25 000 lichtjaar van ons vandaan, dus we kunnen nog steeds gedag zeggen tegen iedereen waarvan we weten dat die tot nu toe in het heelal heeft bestaan. De verste afstand die onze huidige telescopen van ons vandaan hebben is echter maar ongeveer 13,3 miljard lichtjaar, dus we kunnen op dit moment niet zien wat zich aan de randen van het heelal bevindt. Dus niemand weet wat er aan een van beide randen is!

Abigail Vieregg

Assistent Professor aan het Kavil Instituut voor Kosmologische Fysica aan de Universiteit van Chicago

Met telescopen op aarde kijken we naar licht dat van verre plekken in het heelal komt. Hoe verder weg de bron van het licht is, hoe langer het duurt voordat dat licht hier is. Dus als je naar verre plekken kijkt, kijk je naar hoe die plekken waren toen het licht dat je zag werd gecreëerd – niet naar hoe die plekken er vandaag uitzien. Je kunt steeds verder weg blijven kijken, wat overeenkomt met steeds verder terug in de tijd, totdat je op een plek komt die overeenkomt met een paar honderdduizend jaar na de oerknal. Daarvoor was het heelal zo heet en dicht (lang voordat er sterren en sterrenstelsels waren!) dat alle licht in het heelal gewoon rondfladderde, en dat kunnen we vandaag de dag niet zien met onze telescopen. Deze plek is de rand van het “waarneembare heelal” – ook wel de horizon genoemd – omdat we er niet achter kunnen kijken. Naarmate de tijd verstrijkt, verandert deze horizon. Als je vanaf een andere planeet ergens anders in het heelal naar buiten zou kunnen kijken, zou je vermoedelijk iets zien dat sterk lijkt op wat wij hier vanaf de aarde zien: je eigen horizon, beperkt door de tijd die sinds de oerknal is verstreken, de snelheid van het licht en de manier waarop het heelal zich heeft uitgebreid.

Hoe ziet de plek die overeenkomt met de horizon van de aarde er vandaag de dag uit? Dat kunnen we niet weten, want we kunnen die plaats alleen bekijken zoals hij was vlak na de oerknal, niet zoals hij nu is. Alle metingen wijzen er echter op dat het hele heelal dat we kunnen zien, inclusief de rand van het waarneembare heelal, er ongeveer zo uitziet als ons lokale heelal vandaag de dag: met sterren, sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels en heel veel lege ruimte.

We denken ook dat het heelal veel veel groter is dan het deel van het heelal dat we hier vandaag toevallig vanaf de aarde kunnen zien, en dat er geen “rand” is aan het heelal zelf. Het is gewoon ruimtetijd, die uitdijt.

Arthur B. Kosowsky

Professor, Natuurkunde, Universiteit van Pittsburgh, wiens onderzoek zich richt op kosmologie en aanverwante vraagstukken van de theoretische natuurkunde

Een van de meest fundamentele eigenschappen van het heelal is de leeftijd, die we nu op grond van een verscheidenheid aan metingen vaststellen op 13,7 miljard jaar. Omdat we ook weten dat licht zich met een constante snelheid voortplant, betekent dit dat een lichtstraal die op een zeer vroeg tijdstip is begonnen, vandaag de dag een bepaalde afstand heeft afgelegd (de zogenaamde “horizonafstand” of de “Hubble-afstand”). Aangezien niets zich sneller voortplant dan de lichtsnelheid, is de Hubble-afstand de verste afstand die we in principe ooit kunnen waarnemen (tenzij we een manier ontdekken om de relativiteitstheorie te omzeilen!).

We hebben een bron van licht dat van bijna de Hubble-afstand tot ons komt: de kosmische microgolf-achtergrondstraling. Wij weten dat er geen “rand” aan het heelal is tot aan de afstand van de oorsprong van de microgolf-achtergrondstraling, die bijna de gehele Hubble-afstand van ons verwijderd is. Daarom nemen wij gewoonlijk aan dat het heelal veel groter is dan ons eigen waarneembare Hubble-volume, en dat elke rand die zou kunnen bestaan veel verder weg is dan wij ooit kunnen waarnemen. Het is denkbaar dat dit niet juist is: misschien heeft het heelal een rand net voorbij de Hubble-afstand van ons, en zijn daarachter zeemonsters. Maar omdat het hele universum dat we kunnen waarnemen er relatief gelijkaardig en uniform uitziet, zou dit een uiterst vreemde gang van zaken zijn.

Dus ik vrees dat we nooit een goed antwoord op de vraag zullen hebben: misschien heeft het universum helemaal geen rand, en als het wel een rand heeft, dan is die rand ver genoeg weg dat het licht van de rand in de hele geschiedenis van het universum nog niet genoeg tijd heeft gehad om tot ons door te dringen. We moeten genoegen nemen met het begrijpen van het deel van het heelal dat we wel kunnen waarnemen.

Heeft u een brandende vraag voor Giz Asks? E-mail ons op [email protected].