Iedereen vraagt zich wel eens af hoe en wanneer het heelal is ontstaan. De wetenschap heeft pas vrij recent antwoorden kunnen vinden op deze vraag. We weten inmiddels behoorlijk nauwkeurig wanneer de tijd begon; wanneer het heelal begon.

Vroeger werd de vraag waar het heelal vandaan komt en, achterliggend, waar wij vandaan komen door de religie beantwoord. Pas in het midden van de 20e eeuw kon de wetenschap haar eigen coherente en overtuigende verklaring geven, gebaseerd op theorie, voorspellingen en observaties. Het verklaarde wat er aan het begin der tijden gebeurde: het ontstaan van het heelal.

Men dacht vroeger dat het heelal oneindig en stabiel was: zonder begin en zonder einde. Maar aan het begin van de 20e eeuw veranderde dit beeld. Door nieuwe observaties kwamen er nieuwe vragen en inzichten over waar het heelal vandaan kwam. Het begon allemaal met een observatie, waarbij ons beeld van de werkelijke grootte van het heelal compleet veranderde. We ontdekten eerst dat er zich om ons zonnestelsel een sterrenstelsel bevond: de Melkweg. Alle sterren die we met het blote oog kunnen zien, staan in de Melkweg. Tot begin 20e eeuw was ons sterrenstelsel in onze beleving het volledige heelal. Daarbuiten was leegte.

Maar er waren ook raadselachtige objecten, net zichtbaar met het blote oog, die er anders uitzagen. De opvallendste was Andromeda als je weet waar je moet zoeken, kan je hem met een simpele verrekijker vinden. Je ziet dan dat Andromeda geen simpele ster is, maar een vage vlek: de grote Andromedanevel (M31).

Naast Andromeda zijn er nog heel veel vergelijkbare objecten aan de nachtelijke hemel te vinden. In eerste instantie dachten de wetenschappers dat het interstellaire gaswolken waren, maar telescoopbeelden lieten zien dat er structuren aanwezig waren die vele malen complexer waren. Het leken wel grote groepen met sterren. Dan kon twee dingen betekenen. Of het waren kraamkamers van sterren. Of het waren zélf complete sterrenstelsels, ver buiten de Melkweg. Maar dat laatste betekende nogal wat! Ons hele beeld over de grootte van het heelal moest dan worden bijgesteld. En flink ook.

Edwin Hubble vond met zijn Hookertelescoop revolutionaire resultaten. In 1923 was de bouw van zijn telescoop klaar en ging hij hiermee de Andromedanevel bestuderen. Er was er één ster die Hubble opviel: een piepklein sterretje. Hij vergeleek zijn foto met andere foto’s van andere nachten en ontdekte dat de helderheid was veranderd. Het was een variabele ster. Dit was voor hem een geweldige ontdekking! Zijn ster bleek een Cepheïde te zijn. Dat zijn heel speciale sterren, want hun helderheidsverandering zegt iets over hoe ver de ster bij ons vandaan staat. Hubble vroeg zich af of de ster zich in onze Melkweg bevond of daarbuiten. De periode (van piek tot piek) is bepalend.

Hij vond dat deze periode 31,415 dagen was en rekende hiermee uit dat deze ster 900.000 lichtjaren bij ons vandaan stond. Dit was het verste object dat ooit was waargenomen.

Andromeda blijkt dus een apart sterrenstelsel te zijn, maar dat blijkt ook te gelden voor de andere sterrenstelsels. Het heelal zag er dus ineens heel anders uit! Het was ineens meer dan 1000x groter geworden! Van hieruit is de discussie aangewakkerd over het ontstaan van het heelal.

Zonder dat hij het doorhad, hielp Albert Einstein om dit geheim te ontrafelen. Hij bracht met zijn relativiteitstheorie de theoretische basis die nodig was. Zijn algemene relativiteitstheorie is in 1917 ontstaan en heeft de natuurkundige kijk op de wereld aanmerkelijk veranderd. Hij beredeneerde dat gravitatie werd veroorzaakt door vervormingen of verbuigingen van de ruimtetijd door grote objecten (sterren, planeten). Einstein was een wetenschappelijk buitenbeentje die instinctief te werk ging. Hij paste zijn relativiteitstheorie toe op het hele heelal. Zijn conclusie was in eerste instantie dat alle materie in het heelal als gevolg van de zwaartekracht elkaar zou aantrekken en dat zo het totale heelal zou samentrekken. Steeds sneller, totdat het ineenstort. Maar de algemene gedachte in die tijd was dat het heelal statisch was en eeuwig zou blijven bestaan. Einstein geloofde dat ook en stelde daarom zijn visie bij. Hij bedacht de kosmologische constante L en voerde deze aan zijn vergelijkingen toe. De kosmologische constante is een soort van anti-zwaartekracht die de gewone zwaartekracht tegenwerkt. Er was geen enkel bewijs voor, maar het maakte het heelal wel stabiel. Alexandr Friedmann vond zelfs een oplossing van de vergelijking zonder kosmologische constante, maar met een variabele massadichtheid. Dit kreeg echter weinig voeten aan de grond, aangezien het indruiste tegen het algemene gedachtengoed dat het heelal stabiel en eeuwig zou zijn.

Zonder dat hij het wist, had Einstein het ontstaan van het heelal bijna verklaard, maar hij kon of wilde niet afwijken van zijn oude gedachten, ook al gaven zijn berekeningen wat anders aan. Zijn wat vreemde manier van redeneren leidde ertoe dat George Lemaître een theorie over het heelal ging ontwikkelen. Hij had een revolutionair idee dat de wetenschap op zijn grondvesten kon laten schudden. Lemaitre was een natuurkundige en een priester. Hij zei hierover dat er twee manieren zijn om de waarheid te achterhalen en dat hij ze graag beide wilde onderzoeken.

Op basis van Einsteins theorie ontwikkelde hij zijn eigen kosmologische modellen. Hij beschreef een uitdijend heelal, waarbij sterrenstelsels zich van elkaar af bewegen. En hij beredeneerde dat als je teruggaat in de tijd er een moment moet zijn waarop alles begon. Het heelal zat in het prille begin samengeperst in een klein volume, wat hij het oeratoom noemde. Dit is de eerste aanzet tot de latere oerknaltheorie. Hij publiceerde zijn verhaal maar dat werd volledig genegeerd door de overige wetenschappers. Hij had dus een kruiwagen nodig voor zijn idee en ging daarom naar Einstein. Hij sprak met hem over zijn ideeën, maar Einstein was totaal niet onder de indruk: “je wiskunde is prima, maar je natuurkunde is een drama.”

Ondertussen was Edwin Hubble een gevierd man na de ontdekking van andere sterrenstelsels ver buiten onze Melkweg. Hij was ook in Hollywood een graag geziene gast en kon door zijn bekendheid ook gebruik maken van de op dat moment krachtigste telescoop ter wereld. En dat kwam goed uit. Want hij had gehoord over vreemde observaties die aantoonden dat sterrenstelsels zich van ons af zouden bewegen. Het was volstrekt onduidelijk waarom dit gebeurde.

In 1928 ging Hubble daarom onderzoeken met welke snelheid deze sterrenstelsels van ons af bewogen. Hij gebruikte hiervoor de eigenschap van de roodverschuiving. Dit is een uiting van het dopplereffect, zoals we dat ook kennen bij geluid. Als sterrenstelsels van ons af bewegen, verschuift het lichtspectrum naar de rode kant. Hoe groter de roodverschuiving, hoe groter de snelheid waarmee de sterrenstelsels van ons af bewegen. Door het licht van het sterrenstelsel te onderzoeken kon Hubble daaruit een spectrum halen om die roodverschuiving te onderzoeken. Hij werkte daarbij samen met Milton Humanson, een spectroscopist. Humanson vond lichtspectra met behulp van een fotografische plaat. Na een week had hij voldoende licht op zijn plaat om er een goed spectrum van te kunnen maken. Dit spectrum werd vergeleken met referentielijnen. De snelheid kon daarna simpel worden berekend met de formule voor het dopplereffect: Δl/l = v/c.

Nadat Hubble de snelheid wist, bekeek hij hoe ver dit sterrenstelsel bij ons vandaan stond. En wat bleek? Hoe verder een sterrenstelsel bij ons vandaan staat, hoe sneller het van ons vandaan beweegt. Maar in een stabiel heelal zou de snelheid van sterrenstelsels willekeurig moeten zijn. Hubble liet zien dat het heelal dus niet statisch was, maar dat het uitdijde. En dat betekende nogal wat! Een van de implicaties was dat als je vanuit deze theorie terug redeneert, alle stelsels ooit samenkwamen in één punt.

Lemaître zou dus maar zo gelijk kunnen hebben! Dankzij de vondst van Hubble werd uiteindelijk het werk van Lemaître erkend. In 1931 ging uiteindelijk Einstein ook overstag en steunde hij het model van het uitdijende heelal. “Het heeft mijn oude idee met een hamerslag verwoest”, zei hij hierover. Hij nam daarmee gelijk ook afstand van zijn kosmologische constante.

De oerknaltheorie begon dus terrein te winnen in de wetenschap. Maar de discussie was nog lang niet voorbij. Er moesten namelijk nog wel een paar achterliggende problemen opgelost worden. De oerknaltheorie riep eigenlijk net zoveel vragen op als dat het aan antwoorden opleverde. Bijvoorbeeld als het heelal uit één punt is ontstaan, waar kwam dan alle materie vandaan? Om hierachter te komen, moesten we eerst begrijpen waaruit het heelal bestaat: de elementaire bouwstenen.

Cecilia Payne heeft hierin een belangrijke bijdrage geleverd. Zij studeerde in Cambridge maar kreeg geen promotie omdat ze een vrouw was. Om verder te studeren, moest ze dus naar een plek waar de mensen wat ruimdenkender waren. Ze verhuisde naar Amerika en daar vond zij de samenstelling van het heelal.

Astronomen gingen naar de zon kijken om te ontdekken waar het heelal van was gemaakt. Dat is helemaal niet vreemd, want er zijn heel erg veel sterren. Sterren zijn kennelijk een belangrijk onderdeel van het heelal. Het zonnespectrum werd geanalyseerd.

Op het eerste gezicht lijkt de zon op de aarde. De zon is eigenlijk een heel hete steen. Maar Cecilia Payne begreep dat er processen in de atmosfeer van de zon plaatsvonden die de metingen beïnvloedden. Na correctie berekende zij opnieuw de samenstelling van de zon en ontdekte dat de zon vrijwel alleen uit waterstof en helium bestond. De overige elementen zijn in werkelijkheid maar een fractie van wat men in eerste instantie dacht. Haar resultaat werd met de nodige scepsis ontvangen. Zij gaf zelf ook aan in haar proefschrift dat de door haar gevonden hoge waarden vrijwel zeker fout waren. Maar vier jaar later werd haar onderzoek opnieuw uitgevoerd en kwam men tot dezelfde conclusie.

De uitkomsten van Payne met betrekking tot de hoeveelheden waterstof en helium bleken voor bijna alle sterren nagenoeg gelijk te zijn. De conclusie was daarom dat het heelal voor ruim 98% uit waterstof en helium bestaat. De vraag met betrekking tot de oerknaltheorie is dus nu een stuk eenvoudiger: kan de oerknal de verhouding waterstof en helium en de vorming hiervan verklaren? Om dit te onderzoeken, was kennis nodig van de kernfysica.

George Gamow was voorstander van de oerknaltheorie én was kernfysicus. Hij ging de eerste momenten van het heelal bestuderen. Hij dacht op die manier antwoorden te vinden omtrent de samenstelling van het heelal. Hij beredeneerde dat juist in die periode waterstof en helium werden gevormd. Dit moest zelfs heel snel na het ontstaan van het heelal zijn gebeurd. Gamow wilde een wiskundig model maken voor de eerste fase van de oerknal. Het bijzondere was dat Gamow in minuten seconden dacht, terwijl de oerknaltheorie miljarden jaren bestrijkt. Hij had dus een heel andere focus. Ralph Alpher hielp hem met zijn model. In hun beleving moest het heelal aan het begin extreem heet en compact zijn geweest. Toen moest het heelal zo heet zijn geweest dat er geen atomen gevormd konden worden. Alleen hun bestanddelen bestonden. Het was een superhete oersoep van protonen, neutronen en elektronen. Ze noemden de soep Ylem, wat materie betekent in het Oud-Engels.

Direct daarna vindt er een periode plaats waarin het heelal extreem afkoelt, waardoor er waterstofkernen kunnen worden gevormd. De waterstofkernen kunnen vervolgens fuseren tot helium. Deze periode duurt tot ongeveer 50 minuten na de oerknal. De verhouding waterstof-helium die Gamow en Alpher berekenden kwam bijna exact overeen met de verhouding die al eerder was gemeten in de sterren.

In 1948 presenteerden Alpher en Gamow hun resultaten in een proefschrift. Gamow voegde als grap de naam van Hans Bethe toe als schrijver van het stuk. Bethe had hier helemaal niets mee te maken, maar zo had hij wel de namen Alpher, Bethe en Gamow. Alpher was hier echter absoluut niet blij mee. Als excuus kreeg hij van Gamow een fles Cointreau met een etiket van Ylem erop.

Uit het werk van Gamow en Alpher kon bewijs worden geleverd dat alles begon met de oerknal. Alpher bleef het vroege heelal bestuderen en zag het heelal als een mist van vrije elektronen en atoomkernen. Totdat de temperatuur afnam tot een kritische temperatuur. Op dat moment konden de elektronen zich gaan vastzetten op de waterstof- en heliumkernen. Toen kon er licht vrijkomen dat zich door het totale heelal kon voortbewegen. Het eerste licht na de oerknal! Alpher begreep dat het licht dat vrijkwam ons nu nog steeds kan bereiken, zelfs na miljarden jaren. Heel zwak, heel donker, maar in elke richting waar te nemen.

Hij berekende dat de uitdijing van het heelal de golf moest hebben uitgerekt. Zelfs zodanig, dat het licht voorbij het zichtbare spectrum kwam en dus nu uit microgolven zou moeten bestaan. Wanneer we deze voorspelde microgolven zouden vinden, bewijst dat het bestaan van de oerknal. Maar het was eind jaren veertig en niemand kon zo’n zwak signaal detecteren. Voorstanders van de oerknaltheorie hadden observaties, metingen en berekeningen als ondersteuning voor de theorie nodig. Zonder duidelijk bewijs bleef de oerknaldiscussie dus gewoon door gaan. De tegenstanders van de theorie pasten steeds hun theorieën aan zodat hun ideeën over een eeuwig of oneindig heelal overeenkwamen met de nieuwe observaties. De wetenschap was nog steeds erg verdeeld over de oerknal.

In 1964 ontdekten Arno Penzias en Robert Wilson iets heel bijzonders dat ze de Nobelprijs opleverde. Zij werken voor Bell Laboratories in de VS, waar ze vreemde en verouderde apparatuur kregen om onderzoeken mee te doen. Het leek op een grote ouderwetse oortrompet.

Toen zij hun telescoop aanzetten, ontdekten ze dat de ruimte vol zat met microgolfstraling. Aangezien alle warme lichamen microgolven uitzenden, moesten Penzias en Wilson hun hoorantenne kalibreren om deze straling er als het ware uit te filteren. Toch bleef er daarna een doordringend en heel irritante achtergrondruis over. Het bleek een golf te zijn met een constante temperatuur van 3 K. Wat zij ook deden, ze kregen het niet weg. Bovendien leek het overal te zijn. In welke richting zij hun buis ook richtten, altijd was er die irritante achtergrondruis. Penzias vertelde dit verhaal op een congres aan een collega. Die collega belde hem een paar weken later op en hij zei dat er in Princeton een aantal onderzoekers waren die naar een soortgelijk signaal zochten. Per toeval bleken Penzias en Wilson de kosmische microgolfachtergrondstraling gevonden te hebben. Eindelijk was er een bewijs voor de oerknal geleverd! Het is natuurlijk heel bijzonder dat die golven al ruim 13 miljard jaar geleden zijn ontstaan. Ruim 40 jaar na Lemaîtres idee over een oerknal werd deze theorie ineens wetenschappelijk gangbaar.

Maar daarmee is het nog steeds niet klaar. Er zijn nog heel veel vragen onopgelost. Bijvoorbeeld waar de materie zelf vandaan kwam en hoe je iets uit het niets maakt. De antwoorden vinden we in de allereerste seconde van de oerknal. Dat wordt met name in Geneve onderzocht bij CERN, ver onder de grond. Dat lijkt vreemd, maar toen het heelal ontstond was het veel kleiner dan nu. Alle materie zat in een veel kleinere ruimte. Het heelal was toen gigantisch heet en de energiedichtheid was extreem hoog. Toen ontstond de eerste materie.

De LHC kan dit proces nog niet namaken, maar het helpt ons wel om de deeltjes en hun gedragingen te onderzoeken. Eens per jaar wordt de LHC stilgelegd en laten ze geen protonen botsen, maar veel zwaardere deeltjes. Zo krijg je botsingen met energieën die 80x hoger zijn dan bij de botsing van twee protonen. Ze versnellen loodkernen met een snelheid die 99,998% van de lichtsnelheid is en laten ze frontaal botsen. Bij de botsing ontstaat er een bijzonder beeld. In een fractie van een seconde zien we een wereld van quarks, gluonen en leptonen. Deze deeltjes vormen uiteindelijk de atomen. Deze fase heet het quark-gluon plasma. Vlak daarna worden de quarks door de gluonen ingevangen om protonen en neutronen te vormen en van daaruit atomen. We noemen deze periode ook wel de opsluittijd van de quarks.

De maat van de deeltjesversneller is een maat voor de maximale energie die je op kunt wekken bij botsing. De LHC is 27 km lang en kan energie samenpersen in een ruimte dat kleiner is dan 1-triljoenste deel van een atoom. Met andere woorden: de energiedichtheid is gigantisch, net als aan het begin van de oerknal. Tijdens de botsing van de loodatomen kan er in een fractie van een seconde een superhete, superdichte vuurbal ontstaan die 400 000x warmer is dan de kern van de zon. De dichtheid is net zo groot als wanneer je de MontBlanc zou samenpersen in een druif. Je ziet tienduizenden materiedeeltjes en antimateriedeeltjes. Dat is de nasleep van deze explosie. Ze laten zien dat er dus een quark-gluon plasma moet zijn geweest. Eigenlijk gebeurt het omgekeerde in de LHC als bij de oerknal: in de oerknal ontstond materie uit energie en in de LHC wordt materie omgezet in energie. Het werkt dus als een soort tijdmachine.

Wat helemaal aan het begin van de oerknal is gebeurd, dus hoe energie in materie werd omgezet, is nog niet helemaal helder. Maar we weten nu wel weer een heel stuk meer. We zijn teruggaan tot 1-miljoenste seconde na de oerknal. Willen we echt terug naar de oerknal, dan moeten we, omwille van de noodzakelijke energiedichtheid, een versneller bouwen die groter is dan de baan van Pluto. Wanneer we echt helemaal teruggaan naar het begin, kunnen we pas gaan begrijpen hoe en waarom de vier natuurkrachten met elkaar verbonden zijn. En hoe het heelal in 1-triljoenste van een triljoen seconde is geëxpandeerd.

Bel direct