Het uitdijende heelal

De roodverschuiving die in het vorige hoofdstuk al even ter sprake kwam, is een verschijnsel dat vergelijkbaar is met het bekende dopplereffect. Het dopplereffect kennen we uit het dagelijks leven: de toonhoogte van een geluidsbron is afhankelijk van de snelheid. Wanneer een ziekenauto op ons afkomt, klinkt de sirene hoger dan wanneer hij zich van ons verwijdert. Als je als stilstaande waarnemer weet wat de werkelijke toonhoogte is, kun je uit de waargenomen toonhoogte de snelheid van de auto afleiden.

Met licht gebeurt iets soortgelijks. Als een lichtbron met hoge snelheid naar ons toe beweegt, zien we het uitgezonden licht iets blauwer dan normaal; beweegt de lichtbron zich van ons af, dan is het licht iets roder. En opnieuw geldt dat je uit de gemeten golflengteverschuiving de snelheid van de bron kunt bepalen.

uitdijend_heelal_wmap

Kort na de Eerste Wereldoorlog werden van veel sterrenstelsels golflengteverschuivingen bepaald, met als doel de bewegingssnelheden van die stelsels af te leiden. Tot ieders grote verbazing bleek dat vrijwel alle sterrenstelsels een roodverschuiving vertonen; blauwverschuivingen komen praktisch niet voor. Bovendien zijn de roodverschuivingen van heldere, nabijgelegen stelsels betrekkelijk klein, terwijl stelsels die op grotere afstanden staan (en daardoor kleiner en zwakker lijken) veel hogere roodverschuivingen vertonen. Het lijkt alsof alle sterrenstelsels in het heelal met hoge snelheid van het Melkwegstelsel weg vliegen, en dat die vluchtsnelheid hoger is naarmate het stelsel op een grotere afstand staat.

Edwin Hubble, de astronoom die ook de ware identiteit van het Andromedastelsel ontdekte, realiseerde zich dat er een andere verklaring bestaat voor het merkwaardige roodverschuivingspatroon. Volgens Hubble dijt het heelal als geheel uit: alle afstanden worden in de loop van de tijd steeds groter, waardoor het vanuit elk willekeurig sterrenstelsel in de kosmos lijkt alsof alle andere stelsels een vluchtgedrag vertonen. Het Melkwegstelsel neemt dus geen bijzondere centrale positie in; vanuit elk ander punt in het heelal zou je hetzelfde roodverschuivingspatroon waarnemen.

De uitdijing van het heelal wordt beschreven door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Het valt niet mee om je een goede voorstelling te maken van een uitdijend heelal. De sterrenstelsels bewegen niet door een statische ruimte; het is de ruimte zelf die uitdijt en steeds meer ruimte inneemt. De sterrenstelsels worden meegevoerd als twijgjes op een rivier, en de uitdijende beweging van het heelal wordt dan ook de Hubblestroom genoemd.

Een goed voorbeeld is het oppervlak van een ballon, waarop met een viltstift stippen zijn getekend. Als de ballon wordt opgeblazen, worden de onderlinge afstanden van de stippen steeds groter. En hoe groter de afstand tussen twee stippen is, des te sneller bewegen ze uit elkaar. De stippen stellen de sterrenstelsels voor; het ballonoppervlak de uitdijende ruimte.

Er bestaat dus een verband tussen de afstand van een sterrenstelsel en de snelheid waarmee het stelsel als gevolg van de uitdijing van het heelal lijkt weg te vluchten van het Melkwegstelsel. Die vluchtsnelheid kan gemakkelijk afgeleid worden uit de gemeten roodverschuiving van het stelsel. Anders gezegd: de roodverschuiving is een maat voor de afstand. Op die manier bepaalde Maarten Schmidt begin jaren zestig de afstand tot de eerste quasar.

De vergelijking met het dopplereffect gaat niet voor honderd procent op, omdat er in het geval van het uitdijende heelal geen sprake is van materie die zich werkelijk door de ruimte verplaatst. Je kunt je de roodverschuiving dan ook beter voorstellen als een direct effect van de uitdijing van de ruimte op de golflengte van licht: hoe langer een lichtstraal door de uitdijende ruimte beweegt, des te sterker worden de lichtgolven uitgerekt. Het licht van verre sterrenstelsels komt daardoor met een iets langere golflengte (een iets rodere kleur) op aarde aan dan het licht van dichterbij gelegen stelsels.

Er bestaat dus een direct verband tussen roodverschuiving en afstand. Als sterrenstelsel A een twee keer zo grote roodverschuiving heeft als stelsel B, staat A ook twee keer zo ver weg als B. Maar hóe ver weg is daarmee nog niet bekend; daartoe moet ook de evenredigheidsconstante tussen roodverschuiving en afstand nauwkeurig bekend zijn. Die zogeheten Hubbleconstante is inmiddels vrij exact bepaald door precisiewaarnemingen van grote telescopen, waaronder de Hubble Space Telescope.

Overigens speelt de uitdijing van het heelal alleen een rol op grote, ‘kosmologische’ afstanden. Anders gezegd: de afstanden tussen groepen en clusters van sterrenstelsels nemen toe als gevolg van de uitdijing van het heelal, maar afzonderlijke sterrenstelsels dijen niet uit, evenmin als planetenstelsels of sterren. De sterren in het Melkwegstelsel worden bijvoorbeeld bijeengehouden door de wederzijdse zwaartekracht, en die biedt weerstand tegen de uitdijing.

De ontdekking van de uitdijing van het heelal vormt een van de belangrijkste sterrenkundige revoluties van de twintigste eeuw. Het feit dat het heelal uitdijt, betekent namelijk dat het evolueert: vroeger zag het er anders uit dan nu. Die conclusie rekent resoluut af met het eeuwenoude idee van een statische, onveranderlijke kosmos, en maakte de weg vrij voor de oerknaltheorie.

Leave a Reply