Ons uitdijende heelal: Leeftijd, geschiedenis en andere feiten

Het heelal is met de oerknal ontstaan als een onvoorstelbaar heet, dicht punt. Toen het heelal net 10-34 van een seconde oud was – dat wil zeggen, een honderdste van een miljardste van een triljoenste van een seconde in leeftijd – maakte het een ongelooflijke uitbarsting mee die bekend staat als inflatie, waarbij de ruimte zelf sneller uitdijde dan de snelheid van het licht. Tijdens deze periode verdubbelde het heelal minstens 90 keer in omvang, en ging van subatomaire grootte naar de grootte van een golfbal, bijna in een oogwenk.

Het werk dat nodig is om het uitdijende heelal te begrijpen, komt voort uit een combinatie van theoretische natuurkunde en directe waarnemingen door astronomen. In sommige gevallen hebben astronomen echter geen direct bewijs kunnen zien – zoals in het geval van zwaartekrachtgolven die geassocieerd worden met de kosmische microgolfachtergrond, de overgebleven straling van de oerknal. Een voorlopige aankondiging over het vinden van deze golven in 2014 werd snel ingetrokken, nadat astronomen ontdekten dat het gedetecteerde signaal kon worden verklaard door stof in de Melkweg.

Volgens NASA ging de groei van het heelal na de inflatie door, maar in een langzamer tempo. Terwijl de ruimte uitdijde, koelde het heelal af en vormde zich materie. Een seconde na de oerknal was het heelal gevuld met neutronen, protonen, elektronen, anti-elektronen, fotonen en neutrino’s.

Gerelateerd: Wat is de oerknal-theorie?

Tijdens de eerste drie minuten van het heelal werden de lichte elementen geboren tijdens een proces dat bekend staat als de oerknal-nucleosynthese. De temperatuur koelde af van 100 miljard (1032) Kelvin tot 1 miljard (109) Kelvin, en protonen en neutronen botsten op elkaar om deuterium te maken, een isotoop van waterstof. Het grootste deel van het deuterium kwam samen om helium te maken, en er ontstonden ook sporen van lithium.

In de eerste 380.000 jaar of zo was het heelal in wezen te heet om licht te laten schijnen, volgens het Franse nationale centrum voor ruimteonderzoek (Centre National d’Etudes Spatiales, of CNES). De hitte van de schepping sloeg atomen met zoveel kracht tegen elkaar dat ze uiteenvielen in een dicht plasma, een ondoorzichtige soep van protonen, neutronen en elektronen die licht verstrooide als mist.

Ruwweg 380.000 jaar na de oerknal koelde de materie voldoende af om atomen te vormen tijdens het tijdperk van recombinatie, wat resulteerde in een doorzichtig, elektrisch neutraal gas, volgens NASA. Dit veroorzaakte de eerste lichtflits van de oerknal, die vandaag de dag kan worden waargenomen als kosmische microgolf-achtergrondstraling. Daarna werd het heelal echter ondergedompeld in duisternis, omdat zich nog geen sterren of andere heldere objecten hadden gevormd.

Op ongeveer 400 miljoen jaar na de oerknal begon het heelal uit de kosmische donkere eeuwen te komen tijdens het tijdperk van reionisatie. In deze periode, die meer dan een half miljard jaar duurde, stortten gasklonters voldoende in om de eerste sterren en sterrenstelsels te vormen, waarvan het energetische ultraviolette licht de meeste neutrale waterstof ioniseerde en vernietigde.

Hoewel de uitdijing van het heelal geleidelijk vertraagde doordat de materie in het heelal via de zwaartekracht aan zichzelf trok, begon ongeveer 5 of 6 miljard jaar na de Big Bang, volgens NASA, een mysterieuze kracht die nu donkere energie wordt genoemd, de uitdijing van het heelal weer te versnellen, een verschijnsel dat tot op de dag van vandaag voortduurt.

Een kleine 9 miljard jaar na de Big Bang ontstond ons zonnestelsel.

De Big Bang

De Big Bang vond niet plaats als een explosie op de gebruikelijke manier waarop men over zulke dingen denkt, ondanks dat men dat uit de naam zou kunnen opmaken. Het heelal dijde niet uit in de ruimte, omdat er vóór het heelal geen ruimte bestond, aldus de NASA. In plaats daarvan is het beter om de oerknal te zien als het gelijktijdig verschijnen van ruimte overal in het heelal. Het heelal heeft zich sinds de oerknal niet vanuit één punt uitgebreid, maar de ruimte zelf heeft zich uitgerekt en materie met zich meegenomen.

Omdat het heelal per definitie alle ruimte en tijd omvat zoals wij die kennen, zegt de NASA dat het buiten het model van de oerknal valt om te zeggen waarnaar het heelal uitdijt of wat de aanleiding voor de oerknal is geweest. Hoewel er modellen zijn die over deze vragen speculeren, heeft geen van hen tot nu toe realistisch testbare voorspellingen gedaan.

In 2014 kondigden wetenschappers van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics aan dat ze een zwak signaal in de kosmische microgolfachtergrond hadden gevonden dat het eerste directe bewijs van zwaartekrachtgolven zou kunnen zijn, zelf beschouwd als een “smoking gun” voor de Big Bang. De bevindingen werden heftig bediscussieerd, en astronomen trokken hun resultaten al snel in toen ze zich realiseerden dat stof in de Melkweg hun bevindingen kon verklaren. mysterieuze rimpelingen

Leeftijd

Het heelal wordt momenteel geschat op ruwweg 13,8 miljard jaar oud, plus of min 130 miljoen jaar. Ter vergelijking: het zonnestelsel is slechts ongeveer 4,6 miljard jaar oud.

Deze schatting is afkomstig van metingen van de samenstelling van materie en de energiedichtheid in het heelal. Zo konden de onderzoekers berekenen hoe snel het heelal zich in het verleden heeft uitgebreid. Met die kennis konden zij de klok terugdraaien en extrapoleren wanneer de oerknal plaatsvond. De tijd tussen toen en nu is de leeftijd van het heelal.

Structuur

Wetenschappers denken dat er in de vroegste momenten van het heelal nog geen noemenswaardige structuur was, met materie en energie die vrijwel gelijkmatig over het heelal waren verdeeld. Volgens NASA heeft de zwaartekracht van kleine schommelingen in de dichtheid van materie destijds geleid tot de uitgestrekte web-achtige structuur van sterren en leegte die we vandaag de dag zien. Dichte gebieden trokken steeds meer materie aan door de zwaartekracht, en hoe massiever ze werden, hoe meer materie ze konden aantrekken door de zwaartekracht, waardoor sterren, sterrenstelsels en grotere structuren ontstonden die bekend staan als clusters, superclusters, filamenten en muren, met “grote muren” van duizenden sterrenstelsels die meer dan een miljard lichtjaar lang waren. Minder dichte gebieden groeiden niet en ontwikkelden zich tot gebieden van schijnbaar lege ruimte die leegtes worden genoemd.

Inhoud

Tot ongeveer 30 jaar geleden dachten astronomen dat het heelal bijna geheel bestond uit gewone atomen, of “baryonische materie”, aldus NASA. De laatste tijd zijn er echter steeds meer aanwijzingen dat de meeste ingrediënten waaruit het heelal bestaat, bestaan uit vormen die wij niet kunnen zien.

Het blijkt dat atomen slechts 4,6 procent van het heelal uitmaken. Van de rest bestaat 23 procent uit donkere materie, die waarschijnlijk bestaat uit een of meer soorten subatomaire deeltjes die een zeer zwakke wisselwerking hebben met gewone materie, en 72 procent bestaat uit donkere energie, die de versnelde uitdijing van het heelal lijkt aan te drijven.

Wat de ons bekende atomen betreft, bestaat ongeveer 75 procent uit waterstof en ongeveer 25 procent uit helium. Zwaardere elementen vormen slechts een fractie van de atomen in het heelal, aldus de NASA.

Vorm

De vorm van het heelal en de vraag of het eindig of oneindig groot is, hangt af van de strijd tussen de snelheid van zijn uitdijing en de aantrekkingskracht van de zwaartekracht. De sterkte van de aantrekkingskracht in kwestie hangt gedeeltelijk af van de dichtheid van de materie in het heelal.

Als de dichtheid van het heelal een bepaalde kritische waarde overschrijdt, dan is het heelal “gesloten” en “positief gekromd” als het oppervlak van een bol. Dit betekent dat lichtstralen die aanvankelijk evenwijdig zijn, langzaam zullen convergeren, elkaar uiteindelijk zullen kruisen en weer naar hun beginpunt zullen terugkeren, als het heelal maar lang genoeg duurt. Als dat zo is, is het heelal volgens de NASA niet oneindig maar heeft het geen einde, net zoals de oppervlakte van een bol niet oneindig is maar geen noemenswaardig begin of einde heeft. Het heelal zal uiteindelijk ophouden met uitdijen en in elkaar storten, de zogenaamde “Big Crunch”.

Als de dichtheid van het heelal minder is dan deze kritische dichtheid, dan is de geometrie van de ruimte “open” en “negatief gekromd” zoals het oppervlak van een zadel. Als dat zo is, dan heeft het heelal geen grenzen en zal het eeuwig uitdijen.

Als de dichtheid van het heelal precies gelijk is aan de kritische dichtheid, dan is de geometrie van het heelal “plat” met nul kromming als een vel papier, volgens NASA. Als dat zo is, dan heeft het heelal geen grenzen en zal het eeuwig uitdijen, maar de snelheid van de uitdijing zal na een oneindige hoeveelheid tijd geleidelijk nul benaderen. Recente metingen suggereren dat het heelal plat is met slechts een foutmarge van 2 procent.

Het is mogelijk dat het heelal over het geheel genomen een gecompliceerdere vorm heeft en toch een andere kromming lijkt te bezitten. Het heelal zou bijvoorbeeld de vorm van een torus, of donut, kunnen hebben.

Uitdijend heelal

In de jaren twintig van de vorige eeuw ontdekte astronoom Edwin Hubble dat het heelal niet statisch was. Daarna werd lange tijd gedacht dat de zwaartekracht van de materie in het heelal de uitdijing van het heelal zeker zou vertragen. Toen, in 1998, bleek uit de waarnemingen van de Hubble-ruimtetelescoop van zeer verre supernovae dat het heelal lang geleden langzamer uitdijde dan nu. Met andere woorden, de uitdijing van het heelal vertraagde niet ten gevolge van de zwaartekracht, maar versnelde juist op onverklaarbare wijze. De naam voor de onbekende kracht die deze versnelde uitdijing aandreef is donkere energie, en het blijft een van de grootste mysteries in de wetenschap.

Extra verslaggeving door Nola Taylor Redd en Elizabeth Howell, medewerkers van Space.com.