Het ontzagwekkende heelal

Wat door de oerknal wordt verklaard en wat niet

ELKE ochtend is een wonder. Diep binnen in de ochtendzon fuseert waterstof bij temperaturen van miljoenen graden tot helium. Röntgenstralen en gammastralen van een ongelofelijk destructieve kracht stromen uit de kern naar de omringende lagen van de zon. Indien de zon doorzichtig was, zouden deze stralen in enkele verzengende seconden doorstoten naar de oppervlakte. In plaats daarvan beginnen ze in de dicht samengepakte atomen van de zonne-„isolatie” van het ene atoom naar het volgende te kaatsen en verliezen daarbij geleidelijk energie. Dagen, weken, eeuwen verstrijken. Duizenden jaren later maakt die eens dodelijke straling zich ten slotte los van de oppervlakte van de zon als een aangename vloed van geel licht — niet langer een bedreiging maar precies goed om de aarde te koesteren met haar warmte.

Elke nacht is eveneens een wonder. Andere zonnen twinkelen ons toe over de enorme uitgestrektheid van ons melkwegstelsel. Ze vormen een bonte mengeling van kleuren, grootten, temperaturen en dichtheden. Sommige zijn dermate grote superreuzen dat als er een midden op de plaats van onze zon kwam te staan, dat wat er van onze planeet overbleef zich binnen de oppervlakte van die superster zou bevinden. Andere zonnen zijn heel klein, witte dwergen — kleiner dan onze aarde maar zo zwaar als onze zon. Sommige zullen miljarden jaren vredig hun gangetje gaan. Andere balanceren op het randje van een supernova-explosie waardoor ze tenietgaan, maar waarbij ze korte tijd hele sterrenstelsels overstralen.

Primitieve volken spraken van zeemonsters en strijdende goden, van draken en schildpadden en olifanten, van lotusbloemen en dromende goden. Later, tijdens de zogenoemde Verlichting, moesten de goden plaats maken voor de pas ontdekte „magie” van de differentiaal- en integraalrekening en de wetten van Newton. Nu leven wij in een tijdperk dat beroofd is van de poëtische beelden en legenden van vroeger. De kinderen van het huidige atoomtijdperk hebben als scheppingsmodel niet gekozen voor het oude zeemonster, niet voor Newtons mechanistisch wereldbeeld, maar voor dat overkoepelende symbool van de twintigste eeuw — de bom. Hun „schepper” is een explosie. Zij noemen hun kosmische vuurbol de oerknal.

Wat door de oerknal wordt „verklaard”

Volgens de populairste versie van de scheppingsvisie van deze generatie bestond het heelal zo’n vijftien tot twintig miljard jaar geleden nog niet en de lege ruimte evenmin. Er was geen tijd, geen materie, niets dan een oneindig dicht, oneindig klein punt, een singulariteit geheten, dat explodeerde tot het huidige heelal. Die explosie omvatte een korte periode gedurende de eerste minuscule fractie van een seconde waarin het baby-heelal uitdijde — het zogeheten opzwellings- of inflatietijdperk — met een veel grotere snelheid dan die van het licht.

In de eerste paar minuten van de oerknal vond op universele schaal kernfusie plaats, waardoor de huidige gemeten concentraties van waterstof en helium en op zijn minst een deel van het lithium in de interstellaire ruimte ontstonden. Na misschien 300.000 jaar daalde de temperatuur van de vuurbal die het heelal toen nog was, tot iets onder die van de oppervlakte van de zon, waardoor elektronen banen rond atomen konden gaan beschrijven en er een flits van fotonen ofte wel licht vrijkwam. Die oerflits is thans te meten, zij het aanzienlijk afgekoeld, als universele achtergrondstraling bij microgolffrequenties overeenkomend met een temperatuur van 2,7 Kelvin.a In feite was het de ontdekking van deze achtergrondstraling in 1964/65 die de meeste wetenschappers ervan overtuigde dat er wel iets in de oerknaltheorie zat. De theorie maakt er ook aanspraak op te verklaren hoe het komt dat het universum in alle richtingen lijkt uit te dijen, met verre sterrenstelsels die zich, naar het zich laat aanzien, met hoge snelheid van ons en van elkaar wegspoeden.

Waarom wordt er, gezien het feit dat de oerknaltheorie zo veel lijkt te verklaren, aan getwijfeld? Omdat er ook veel is dat ze niet verklaart. Ter illustratie: De astronoom Ptolemaeus uit de oudheid had een theorie dat de zon en de planeten grote cirkels rond de aarde beschreven en tegelijkertijd kleine cirkels uitvoerden, epicykels genoemd. De theorie leek de beweging van de planeten te verklaren. Eeuwenlang konden de Ptolemeïsche kosmologen terwijl astronomen meer gegevens verzamelden, altijd extra epicykels toevoegen aan hun andere epicykels en de nieuwe gegevens „verklaren”. Maar dat wilde niet zeggen dat de theorie correct was. Uiteindelijk waren er gewoon te veel gegevens te verklaren en vormden andere theorieën, zoals Copernicus’ denkbeeld dat de aarde rond de zon draaide, een betere en eenvoudiger verklaring. Tegenwoordig is het moeilijk een Ptolemeïsche astronoom te vinden!

Professor Fred Hoyle vergeleek de pogingen van de Ptolemeïsche kosmologen om, geconfronteerd met nieuwe ontdekkingen, hun falende theorie op te lappen, met de pogingen van aanhangers van de oerknaltheorie om hun theorie staande te houden. In zijn boek The Intelligent Universe schreef hij: „De pogingen van onderzoekers zijn er voornamelijk op gericht geweest tegenstrijdigheden in de oerknaltheorie weg te plakken, waardoor er een denkbeeld is ontstaan dat steeds ingewikkelder en lastiger is geworden.” Na verwezen te hebben naar Ptolemaeus’ vergeefse gebruik van epicykels om zijn theorie te redden, vervolgde Hoyle: „Ik aarzel nauwelijks te zeggen dat er als gevolg daarvan nu een sombere sluier over de oerknaltheorie hangt. Zoals ik al eerder heb gezegd, laat de ervaring zien dat wanneer een patroon van feiten tegenover een theorie komt te staan, de laatste zich zelden herstelt.” — Blz. 186.

In het blad New Scientist van 22/29 december 1990 klonken soortgelijke gedachten door: „De Ptolemeïsche methode is kwistig gebruikt voor . . . het kosmologische oerknalmodel.” Dan wordt de vraag gesteld: „Hoe kunnen wij echte vooruitgang in de deeltjesfysica en kosmologie bereiken? . . . Wij moeten eerlijker en openhartiger zijn over de zuiver speculatieve aard van enkele van onze dierbaarste veronderstellingen.” De ene nieuwe waarneming na de andere dient zich nu aan.

Vragen die niet door de oerknal beantwoord worden

Een grote uitdaging voor de oerknal is afkomstig van waarnemers die de gecorrigeerde optische uitrusting van de Hubble-ruimtetelescoop gebruiken om de afstand tot andere sterrenstelsels te meten. De nieuwe gegevens jagen de theoretici de stuipen op het lijf!

De astronome Wendy Freedman en anderen gebruikten de Hubble-ruimtetelescoop onlangs om de afstand te meten tot een sterrenstelsel in het sterrenbeeld Maagd, en haar meting doet vermoeden dat het heelal sneller uitdijt, en daarom jonger is, dan voorheen werd gedacht. In feite „impliceert [dat] een kosmische leeftijd van slechts acht miljard jaar”, berichtte het blad Scientific American in juni jongstleden. Hoewel acht miljard jaar een heel lange tijd lijkt, is het slechts ongeveer de helft van de gangbare schatting van de leeftijd van het heelal. Dat schept een bijzonder probleem, daar, zoals het bericht verder opmerkt, „andere gegevens erop duiden dat bepaalde sterren minstens veertien miljard jaar oud zijn”. Indien Freedmans getallen juist blijken, zouden die oudere sterren ouder blijken te zijn dan de oerknal zelf!

Nog een probleem voor de oerknal is ontstaan door het gestadig toenemende bewijsmateriaal voor „bellen” in het heelal die 100 miljoen lichtjaren groot zijn, met sterrenstelsels als wanden en lege ruimte in het inwendige. Margaret Geller, John Huchra en anderen van het Harvard-Smithsonian Centrum voor Astrofysica hebben aan de noordelijke hemel gevonden wat zij betitelen als een grote muur van sterrenstelsels met een lengte van zo’n 500 miljoen lichtjaren. Een andere groep astronomen, die bekend kwamen te staan als de Zeven Samoerai, hebben aanwijzingen gevonden voor een ander kosmisch conglomeraat, dat zij de Grote Aantrekker noemen, gelegen bij de zuidelijke sterrenbeelden Waterslang en Centaur. De astronomen Marc Postman en Tod Lauer zijn van mening dat er iets nog groters moet liggen voorbij het sterrenbeeld Orion, waardoor honderden sterrenstelsels, het onze inbegrepen, in die richting stromen als houtvlotten op een soort „rivier in de ruimte”.

Al die structuren zijn verbijsterend. Kosmologen zeggen dat de explosie door de oerknal uiterst rimpelloos en gelijkmatig was, te oordelen naar de achtergrondstraling die de oerknal naar men zegt achtergelaten heeft. Hoe zou zo’n rimpelloze start tot zulke enorme en complexe structuren hebben kunnen leiden? „De laatste oogst aan muren en aantrekkers intensiveert het mysterie hoe zich binnen de leeftijd van het universum van vijftien miljard jaar, zo veel structuren gevormd kunnen hebben”, bekent Scientific American — een probleem dat alleen maar groter wordt nu Freedman en anderen de geschatte leeftijd van de kosmos nog verder terugdringen.

’Er ontbreekt een fundamenteel element’

Gellers driedimensionale kaarten van duizenden geklonterde, verstrengelde en zeepbelachtige galactische agglomeraties hebben de manier waarop wetenschappers het heelal schilderen veranderd. Zij pretendeert niet dat wat zij ziet te begrijpen. De gravitatie alleen blijkt haar grote muur niet te kunnen verklaren. „Ik denk vaak dat er een fundamenteel element ontbreekt in onze pogingen om deze structuren te begrijpen”, geeft zij toe.

Geller vertelde verder over haar twijfels: „Wij weten duidelijk niet hoe dergelijke grote structuren in samenhang met de oerknal te verklaren.” De interpretaties van kosmische structuren op basis van huidige hemelkaarten zijn verre van definitief — ze hebben meer weg van pogingen de hele wereld in kaart te brengen aan de hand van de kartering van Rhode Island (VS). Geller vervolgde: „Op een dag ontdekken wij misschien dat wij de stukjes niet op de juiste manier in elkaar gepast hebben, en wanneer dat gebeurt, zal het zo voor de hand liggend lijken dat wij ons zullen afvragen waarom wij daar niet veel eerder aan gedacht hebben.”

Dat leidt tot de allergrootste vraag: Wat wordt verondersteld de oerknal zelf teweeggebracht te hebben? Niemand minder dan de autoriteit Andrej Linde, een van de bedenkers van de zeer populaire inflatieversie van de oerknaltheorie, geeft ronduit toe dat de standaardtheorie zich niet met deze fundamentele vraag bezighoudt. „Het eerste en voornaamste probleem is het bestaan op zich van de oerknal”, zegt hij. „Men kan zich afvragen wat er daarvoor was. Indien ruimte-tijd toen niet bestond, hoe kan alles dan uit het niets zijn verschenen? . . . Het verklaren van deze eerste singulariteit — waar en wanneer het allemaal begonnen is — is nog steeds het hardnekkigste probleem van de moderne kosmologie.”

In een artikel in het blad Discover werd onlangs geconcludeerd dat „geen redelijke kosmoloog zou beweren dat de oerknal de ultieme theorie is”.

Laten wij nu naar buiten gaan om de schoonheid en de raadselachtigheid te overpeinzen van de sterrenkoepel.

[Voetnoten]

[Kader op blz. 5]

Het lichtjaar — Een kosmische lengtemaat

Het heelal is zo groot dat het meten ervan in mijlen of kilometers vergelijkbaar is met het meten van de afstand van Londen naar Tokio met een micrometer. Een handiger maateenheid is het lichtjaar, de afstand die het licht in een jaar aflegt, ongeveer 9.460.000.000.000 kilometer. Daar niets in het heelal zo snel is als het licht, dat slechts 1,3 seconden nodig heeft om de afstand naar de maan en ongeveer acht minuten om die naar de zon af te leggen, lijkt een lichtjaar werkelijk immens!