

De evolutie van het heelal volgens James Peebles (1994)
De evolutie van het heelal volgens James Peebles (1994)
James Peebles heeft de Nobelprijs voor de natuurkunde ontvangen. Dankzij hem (en vele collega’s van hem natuurlijk) weten we veel meer over de evolutie van het heelal. In 1994 heeft Peebles in de Scientific American een mooi artikel geschreven over deze evolutie. Dit artikel is hieronder, als eerbetoon aan zijn geweldige werk, terug te lezen. Ondanks dat er een aantal zaken achterhaald zijn in de loop van de tijd, heb ik er voor gekozen om het artikel intact te laten. Het geeft immers ook aan hoe snel de ontwikkelingen op het gebied van de astronomie op dit moment gaan.
Zo’n 15 miljard jaar geleden ontstond het heelal uit een hete, dichte zee van materie en energie. Terwijl de kosmos zich uitbreidde en afkoelde, bracht het sterrenstelsels, sterren, planeten en leven voort.
Op een bepaald moment, ongeveer 15 miljard jaar geleden, begon alle materie en energie die we kunnen waarnemen, geconcentreerd in een gebied kleiner dan een cent, in een ongelooflijk snel tempo te expanderen en af te koelen. Tegen de tijd dat de temperatuur was gedaald tot 100 miljoen keer de temperatuur van de kern van de zon, namen de natuurkrachten hun huidige eigenschappen aan en zwierven de elementaire deeltjes die we kennen als quarks vrij rond in een zee van energie. Toen het universum 1000 keer was uitgebreid, vulde alle materie die we kunnen meten een gebied zo groot als het zonnestelsel.
In die tijd werden de vrije quarks beperkt tot neutronen en protonen. Nadat het universum met nog een factor 1000 was gegroeid, werden protonen en neutronen gecombineerd om atoomkernen te vormen, waardoor het grootste deel van de huidige hoeveelheid helium en deuterium ontstond. Dit gebeurde allemaal binnen de eerste minuut van de uitbreiding. De omstandigheden waren echter nog te heet voor atoomkernen om elektronen in te vangen. Neutrale atomen verschenen pas in overvloed nadat de expansie 300.000 jaar was doorgegaan en het universum 1.000 keer kleiner was dan nu. De atomen begonnen vervolgens samen te vloeien tot gaswolken, die later evolueerden naar sterren. Tegen de tijd dat het universum was uitgebreid tot een vijfde van de huidige grootte, hadden de sterren groepen gevormd die herkenbaar waren als jonge sterrenstelsels.
Toen het universum de helft van zijn huidige grootte had, hadden kernreacties in sterren de meeste zware elementen voortgebracht waaruit aardse planeten werden gemaakt. Ons zonnestelsel is relatief jong: het ontstond vijf miljard jaar geleden, toen het universum twee derde van zijn huidige omvang had. In de loop van de tijd heeft de vorming van sterren de behoorlijk wat gas in sterrenstelsels gekost en daarom neemt de populatie sterren af. Vijftien miljard jaar vanaf nu zullen sterren zoals onze zon relatief zeldzaam zijn, waardoor het universum een veel minder gastvrije plek is voor waarnemers zoals wij.
Ons begrip van het ontstaan en de evolutie van het universum is een van de grote successen van de 20e-eeuwse wetenschap. Deze kennis is afkomstig van tientallen jaren van innovatieve experimenten en theorieën. Moderne telescopen op de grond en in de ruimte detecteren het licht van sterrenstelsels die miljarden lichtjaren ver weg staan en laat ons zien hoe het universum eruit zag toen het jong was. Deeltjesversnellers onderzoeken de basisfysica van de energierijke omgeving van het vroege universum. Satellieten detecteren de kosmische achtergrondstraling die is overgebleven van de vroege expansie, waardoor een beeld wordt verkregen van het universum op de grootste schaal die we kunnen waarnemen.
Onze beste inspanningen om deze rijkdom aan gegevens te verklaren zijn belichaamd in een theorie die bekend staat als het standaard kosmologische model of de oerknal-kosmologie. De belangrijkste bewering van de theorie is dat in het grootschalige gemiddelde het universum zich op een bijna homogene manier uitbreidt vanuit een extreem dichte vroege staat. Inmiddels zijn er geen fundamentele uitdagingen meer voor de oerknaltheorie, hoewel er zeker onopgeloste problemen zijn binnen de theorie zelf. Astronomen weten bijvoorbeeld niet precies hoe de sterrenstelsels zijn gevormd, maar er is geen reden om aan te nemen dat het proces niet in het kader van de oerknal heeft plaatsgevonden. Inderdaad, de voorspellingen van de theorie hebben tot nu toe alle tests overleefd.
Maar hoe was het universum voordat het zich uitbreidde? Geen enkele observatie die we hebben gedaan, stelt ons in staat om verder te kijken dan het moment waarop de expansie begon. Wat gebeurt er in de verre toekomst, wanneer de laatste sterren de voorraad nucleaire brandstof opgebruiken? Niemand kent de antwoorden nog.
Ons universum kan vanuit veel wetenschappelijke disciplines worden bekeken – door mystici, theologen, filosofen of wetenschappers. In de wetenschap nemen we de ploeterroute: we accepteren alleen wat wordt getest door experiment of observatie. Albert Einstein gaf ons de nu goed geteste en geaccepteerde algemene relativiteitstheorie, die de relaties legt tussen massa, energie, ruimte en tijd. Einstein liet zien dat een homogene verdeling van materie in de ruimte mooi aansluit bij zijn theorie. Hij nam zonder discussie aan dat het universum statisch is, onveranderlijk in het grootschalige gemiddelde.
In 1922 besefte de Russische theoreticus Alexander A. Friedmann dat het universum van Einstein onstabiel is; de minste verstoring zou ertoe leiden dat het uitzet of krimpt. Destijds verzamelde Vesto M. Slipher van Lowell Observatory het eerste bewijs dat sterrenstelsels daadwerkelijk uit elkaar bewegen. In 1929 toonde de beroemde astronoom Edwin P. Hubble aan dat de snelheid waarmee een sterrenstelsel van ons af beweegt ruwweg evenredig is aan zijn afstand tot ons.
Het bestaan van een zich uitbreidend universum impliceert dat de kosmos is geëvolueerd van een dichte concentratie van materie naar de huidige breed verspreide verdeling van sterrenstelsels. Fred Hoyle, een Engelse kosmoloog, was de eerste die dit proces de oerknal of Big Bang noemde. Hoyle wilde de theorie in diskrediet brengen, maar de naam was zo pakkend dat het aan populariteit won. Het is echter enigszins misleidend om de uitbreiding te beschrijven als een soort explosie van materie, weg van een bepaald punt in de ruimte.
Dat is helemaal niet het geval: in het universum van Einstein zijn het concept van ruimte en de verdeling van materie nauw met elkaar verbonden; de waargenomen uitbreiding van het stelsel van sterrenstelsels onthult de ontplooiing van de ruimte zelf. Een essentieel kenmerk van de theorie is dat de gemiddelde dichtheid in de ruimte afneemt naarmate het universum groter wordt; de verdeling van materie vormt geen waarneembare rand. Bij een explosie verplaatsen de snelste deeltjes zich in de lege ruimte, maar in de oerknal-kosmologie vullen deeltjes uniform alle ruimte. De uitbreiding van het universum heeft weinig invloed gehad op de grootte van sterrenstelsels of zelfs clusters van sterrenstelsels die door zwaartekracht worden gebonden; ruimte opent eenvoudig tussen hen. In die zin is de expansie vergelijkbaar met een rijzend rozijnenbrood. Het deeg is analoog aan ruimte en de rozijnen aan clusters van sterrenstelsels. Terwijl het deeg uitzet, bewegen de rozijnen uit elkaar. Bovendien is de snelheid waarmee twee rozijnen uit elkaar bewegen direct en positief gerelateerd aan de hoeveelheid deeg dat ze scheidt.
Het bewijs voor de uitbreiding van het universum stapelt zich op. De eerste belangrijke aanwijzing is de roodverschuiving. Een sterrenstelsel straalt sommige golflengten van licht sterker uit dan andere. Als het sterrenstelsel van ons af beweegt, worden deze emissie- en absorptiekenmerken verschoven naar langere golflengtes – dat wil zeggen: ze worden roder naarmate de verwijderingssnelheid toeneemt. Dit fenomeen staat bekend als de roodverschuiving.
De metingen van Hubble gaven aan dat de roodverschuiving van een ver sterrenstelsel groter is dan die van een sterrenstelsel dichter bij de aarde. Deze relatie, die tegenwoordig bekend staat als de wet van Hubble, is precies wat je zou verwachten in een uniform uitbreidend universum. De wet van Hubble zegt dat de verwijderingssnelheid van een sterrenstelsel gelijk is aan zijn afstand vermenigvuldigd met een constante die de constante van Hubble wordt genoemd. De mate van roodverschuiving in nabije sterrenstelsels is relatief subtiel en vereist goede instrumenten om het te detecteren. De roodverschuiving van objecten op grote afstand – radiostelsels en quasars – is daarentegen een geweldig fenomeen; sommige lijken weg te bewegen met meer dan 90 procent van de snelheid van het licht.
Hubble heeft bijgedragen aan een ander cruciaal onderdeel van ons beeld van het heelal. Hij telde het aantal zichtbare sterrenstelsels in verschillende richtingen aan de hemel en ontdekte dat ze tamelijk uniform verdeeld lijken. De waarde van Hubble’s constante leek in alle richtingen hetzelfde te zijn, een noodzakelijk gevolg van uniforme expansie. Moderne onderzoeken bevestigen het fundamentele principe dat het universum op grote schaal homogeen is. Hoewel kaarten van de verdeling van de nabijgelegen sterrenstelsels klonterig zijn, onthullen diepere onderzoeken een aanzienlijke uniformiteit.
De Melkweg bevindt zich bijvoorbeeld in een knoop van twee dozijn sterrenstelsels; deze maken op hun beurt deel uit van een complex van sterrenstelsels dat uit de zogenaamde lokale supercluster steekt. De hiërarchie van clustering is getraceerd tot dimensies van ongeveer 500 miljoen lichtjaar. De schommelingen in de gemiddelde dichtheid van materie nemen af naarmate de schaal van de onderzochte structuur toeneemt. In kaarten die afstanden afleggen die dicht bij de waarneembare limiet komen, verandert de gemiddelde dichtheid van materie met minder dan een tiende procent.
Om de wet van Hubble te testen moeten astronomen afstanden tot sterrenstelsels meten. Een methode voor het meten van afstand is het observeren van de schijnbare helderheid van een sterrenstelsel. Als een sterrenstelsel vier keer zwakker is in de nachthemel dan een anders vergelijkbaar sterrenstelsel, is de schatting dat het twee keer zo ver weg staat. Deze verwachting is nu getest over het gehele zichtbare bereik van afstanden.
Sommige critici van de theorie hebben erop gewezen dat een sterrenstelsel dat kleiner en zwakker lijkt niet per definitie verder weg hoeft te staan. Gelukkig is er een directe aanwijzing dat objecten waarvan de roodverschuivingen groter zijn echt verder weg liggen. Het bewijs is afkomstig van observaties van een effect dat bekend staat als zwaartekrachtlenzen. Een object dat zo massief en compact is als een sterrenstelsel, kan fungeren als een ruwe lens en dus een vervormd, vergroot beeld (of zelfs veel afbeeldingen) produceren van elke achtergrondstralingsbron die erachter ligt. Een dergelijk object doet dit door de paden van lichtstralen en andere elektromagnetische straling te buigen. Dus als een sterrenstelsel zich in de zichtlijn tussen de aarde en een object in de verte bevindt, zal het de lichtstralen van het object buigen zodat ze waarneembaar zijn. In het afgelopen decennium hebben astronomen meer dan een dozijn zwaartekrachtlenzen ontdekt. Het object achter de lens heeft altijd een hogere roodverschuiving dan de lens zelf, wat de kwalitatieve voorspelling van de wet van Hubble bevestigt.
De wet van Hubble is van grote betekenis. Niet alleen omdat deze de uitbreiding van het universum beschrijft, maar ook omdat deze kan worden gebruikt om de leeftijd van de kosmos te berekenen. Om precies te zijn, de tijd die is verstreken sinds de oerknal is een functie van de contante waarde van Hubble’s constante en de mate van verandering. Astronomen hebben de geschatte snelheid van de uitbreiding bepaald, maar niemand heeft de tweede waarde nog nauwkeurig kunnen meten.
Desalniettemin kan men deze hoeveelheid schatten op basis van kennis van de gemiddelde dichtheid van het universum. Men verwacht dat, doordat zwaartekracht een kracht uitoefent die expansie tegengaat, sterrenstelsels de neiging hebben nu langzamer uit elkaar te bewegen dan in het verleden. De snelheid van verandering in expansie is daarom gerelateerd aan de zwaartekracht van het universum bepaald door zijn gemiddelde dichtheid. Als de dichtheid die is van alleen het zichtbare materiaal in en rond sterrenstelsels, ligt de leeftijd van het universum waarschijnlijk tussen de 12 en 20 miljard jaar. (Het bereik zorgt voor de onzekerheid in de mate van expansie.)
Toch geloven veel onderzoekers dat de dichtheid groter is dan deze minimumwaarde. Zogenaamde donkere materie zou het verschil maken. Een sterk verdedigd argument is dat het universum net dicht genoeg is dat de expansie in de verre toekomst bijna tot nul zal vertragen. Onder deze veronderstelling daalt de leeftijd van het universum tot zeven tot 13 miljard jaar.
Om deze schattingen te verbeteren, zijn veel astronomen betrokken bij intensief onderzoek om zowel de afstanden tot sterrenstelsels als de dichtheid van het universum te meten. Schattingen van de expansietijd bieden een belangrijke test voor het oerknalmodel van het universum. Als de theorie correct is, zou alles in het zichtbare universum jonger moeten zijn dan de expansietijd berekend op basis van de wet van Hubble.
Deze twee tijdschalen lijken op zijn minst in grove overeenstemming te zijn. De oudste sterren in de schijf van de Melkweg zijn bijvoorbeeld ongeveer negen miljard jaar oud – een schatting afgeleid van de koelsnelheid van witte dwergsterren. De sterren in de halo van de Melkweg zijn wat ouder, ongeveer 15 miljard jaar – een waarde die is afgeleid van de snelheid van nucleaire brandstofconsumptie in de kernen van deze sterren. De leeftijden van de oudste bekende chemische elementen zijn ook ongeveer 15 miljard jaar – een aantal dat afkomstig is van radioactieve dateringstechnieken. Werknemers in laboratoria hebben deze leeftijdsschattingen afgeleid van atomaire en nucleaire fysica. Het is opmerkelijk dat hun resultaten, althans ongeveer, overeenkomen met de leeftijd die astronomen hebben afgeleid door het meten van kosmische expansie.
Een andere theorie, de steady-state-theorie, slaagt er ook in de expansie en homogeniteit van het universum te verklaren. In 1946 stelden drie natuurkundigen in Engeland – Hoyle, Hermann Bondi en Thomas Gold – een dergelijke kosmologie voor. In hun theorie breidt het universum zich voor altijd uit en wordt materie spontaan gecreëerd om de leegte te vullen. Terwijl dit materiaal zich ophoopt, zo suggereerden ze, vormen het nieuwe sterren om de oude te vervangen. Deze steady-state-hypothese voorspelt dat ensembles van sterrenstelsels dicht bij ons statistisch hetzelfde moeten uitzien als die ver weg. De oerknal-kosmologie doet een andere voorspelling: als sterrenstelsels al lang geleden werden gevormd, zouden verre sterrenstelsels er jonger uitzien dan die in de buurt, omdat licht van hen een langere tijd nodig heeft om ons te bereiken.
De test is conceptueel eenvoudig, maar het duurde tientallen jaren voordat astronomen detectoren ontwikkelden die gevoelig genoeg waren om verre sterrenstelsels in detail te bestuderen. Als astronomen nabije sterrenstelsels die krachtige emitters van radiogolflengten onderzoeken, zien ze op optische golflengten relatief ronde sterrenstelsels. Radio-sterrenstelsels in de verte lijken daarentegen langwerpige en soms onregelmatige structuren te hebben. Bovendien, in de meeste verre radiosterrenstelsels, in tegenstelling tot die in de buurt, heeft de verdeling van het licht de neiging om in lijn te liggen met het patroon van de radiostraling.
Evenzo, wanneer astronomen de populatie van massieve, dichte clusters van sterrenstelsels bestuderen vinden ze verschillen tussen die dichtbij en die ver weg. Clusters in de verte bevatten blauwachtige sterrenstelsels die tekenen van voortdurende stervorming vertonen. Soortgelijke clusters in de buurt bevatten roodachtige sterrenstelsels waarin de actieve stervorming lang geleden is gestopt. Waarnemingen met de Hubble-ruimtetelescoop bevestigen dat ten minste een deel van de verbeterde stervorming in deze jongere clusters het gevolg kan zijn van botsingen tussen hun lidstelsels, een proces dat veel zeldzamer is in het huidige tijdvak.
Dus als sterrenstelsels allemaal van elkaar af bewegen en evolueren vanuit eerdere vormen, lijkt het logisch dat ze ooit samen in een dichte zee van materie en energie druk waren. Inderdaad, in 1927, voordat er veel bekend was over verre sterrenstelsels, stelde de Belgische kosmoloog en priester Georges Lemaître voor dat de expansie van het universum zou kunnen worden teruggebracht tot een buitengewoon dichte staat. Hij noemde het oorspronkelijk ‘superatoom’. Het moest volgens hem mogelijk zijn om overgebleven straling van het oeratoom te detecteren. Maar hoe zou deze stralingshandtekening eruit zien?
Toen het universum erg jong en heet was, kon straling niet erg ver reizen zonder te worden geabsorbeerd en uitgezonden door een deeltje. Deze continue uitwisseling van energie handhaafde een toestand van thermisch evenwicht; het is onwaarschijnlijk dat een bepaalde regio veel heter of koeler is dan het gemiddelde. Wanneer materie en energie zich in een dergelijke toestand vestigen, is het resultaat een zogenaamd thermisch spectrum, waarbij de intensiteit van straling bij elke golflengte een duidelijke functie van de temperatuur is. Vandaar dat straling afkomstig van de hete oerknal herkenbaar is aan zijn spectrum.
Feitelijk is deze thermische kosmische achtergrondstraling gedetecteerd. Terwijl hij werkte aan de ontwikkeling van radar in de jaren 1940, vond Robert H. Dicke, toen aan het Massachusetts Institute of Technology, de microgolfradiometer uit – een apparaat dat lage stralingsniveaus kan detecteren. In de jaren zestig gebruikte Bell Laboratories een radiometer in een telescoop die de vroege communicatiesatellieten Echo-1 en Telstar zou volgen. De ingenieur die dit instrument bouwde, ontdekte dat het onverwachte straling detecteerde. Arno A. Penzias en Robert W. Wilson identificeerden het signaal als de kosmische achtergrondstraling. Het is interessant dat Penzias en Wilson naar dit idee werden geleid door het nieuws dat Dicke had gesuggereerd dat men een radiometer zou moeten gebruiken om naar de kosmische achtergrond te zoeken.
Astronomen hebben deze straling tot in detail bestudeerd met behulp van de Cosmic Background Explorer (COBE) -satelliet en een aantal door raketten gelanceerde, op een ballon gebaseerde en op de grond gebaseerde experimenten. De kosmische achtergrondstraling heeft twee onderscheidende eigenschappen. Ten eerste is het in alle richtingen bijna hetzelfde. De interpretatie is dat de straling de ruimte uniform vult, zoals voorspeld in de oerknalkosmologie. Ten tweede is het spectrum zeer dicht bij dat van een object in thermisch evenwicht bij 2.726 Kelvin boven het absolute nulpunt. Zeker, de kosmische achtergrondstraling werd geproduceerd toen het universum veel heter was dan 2,726 graden, maar onderzoekers verwachtten dat de schijnbare temperatuur van de straling laag zou zijn.
De kosmische achtergrondstraling levert direct bewijs dat het universum is uitgebreid vanuit een dichte, hete staat, want dit is de voorwaarde die nodig is om de straling te produceren. In het dichte, hete vroege universum produceerden thermonucleaire reacties elementen zwaarder dan waterstof, waaronder deuterium, helium en lithium. Het is opvallend dat de berekende mix van de lichtelementen overeenkomt met de waargenomen overvloed. Dat wil zeggen, alle bewijsmateriaal geeft aan dat de lichte elementen werden geproduceerd in het hete, jonge universum, terwijl de zwaardere elementen later verschenen, als producten van de thermonucleaire reacties die sterren aandrijven.
De theorie voor het ontstaan van de lichte elementen is voortgekomen uit de uitbarsting van onderzoek aan het einde van de Tweede Wereldoorlog. George Gamow en de net afgestudeerde Ralph A. Alpher van George Washington University en Robert Herman van het Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory gebruikten kernfysische gegevens uit de oorlog om te voorspellen wat voor soort nucleaire processen zich in het vroege universum zouden hebben voorgedaan en welke elementen mogelijk zijn geproduceerd. Alpher en Herman beseften ook dat een overblijfsel van de oorspronkelijke uitbreiding nog steeds detecteerbaar zou zijn in het bestaande universum.
Ondanks het feit dat belangrijke details van dit baanbrekende werk fout waren, smeedde het een verband tussen nucleaire fysica en kosmologie. Ze toonden aan dat het vroege universum kon worden beschouwd als een soort thermonucleaire reactor. Daarop hebben fysici inmiddels precies de hoeveelheid en de verdeling van de lichte elementen berekend die in de oerknal zijn geproduceerd en hoe die hoeveelheden zijn veranderd door opeenvolgende gebeurtenissen in het interstellaire medium en nucleaire processen in sterren.
Ons begrip van de omstandigheden die heersten in het vroege universum zorgt er niet voor dat we volledig begrijpen hoe sterrenstelsels werden gevormd. We hebben nogal wat puzzelstukjes. Zwaartekracht veroorzaakt de groei van dichtheidsschommelingen in de verdeling van materie, omdat het de expansie van dichtere gebieden sterker vertraagt, waardoor ze nog dichter groeien. Dit proces wordt waargenomen in de groei van nabijgelegen clusters van sterrenstelsels en de sterrenstelsels zelf werden waarschijnlijk op dezelfde kleinere schaal gemaakt door hetzelfde proces.
De groei van structuur in het vroege universum werd voorkomen door stralingsdruk, maar dat veranderde toen het universum zich had uitgebreid tot ongeveer 0,1 procent van zijn huidige grootte. Op dat moment was de temperatuur ongeveer 3000 Kelvin, voldoende koel om de ionen en elektronen te laten combineren om neutrale waterstof en helium te vormen. De neutrale materie was in staat om door de straling te glijden en gaswolken te vormen die konden instorten tot sterrenhopen. Waarnemingen tonen aan dat tegen de tijd dat het universum een vijfde van zijn huidige omvang had, de materie zich had verzameld in gaswolken die groot genoeg waren om jonge sterrenstelsels te kunnen worden genoemd.
Een belangrijke uitdaging is nu om de schijnbare uniformiteit van het vroege universum te koppelen aan de hobbelige verdeling van sterrenstelsels in het huidige universum. Astronomen weten dat de dichtheid van het vroege universum niet veel varieerde, omdat ze slechts kleine onregelmatigheden in de kosmische achtergrondstraling waarnemen. Tot nu toe was het eenvoudig om theorieën te ontwikkelen die consistent zijn met de beschikbare metingen, maar er zijn meer kritische tests aan de gang. In het bijzonder voorspellen verschillende theorieën voor de vorming van sterrenstelsels heel verschillende fluctuaties in de kosmische achtergrondstraling op hoekschalen minder dan ongeveer één graad. Metingen van zulke kleine schommelingen zijn nog niet gedaan, maar ze kunnen worden uitgevoerd in de lopende experimenten.
Het huidige universum biedt voldoende mogelijkheden voor de ontwikkeling van het leven zoals we het kennen – er zijn ongeveer 100 miljard miljard sterren vergelijkbaar met de zon in het deel van het universum dat we kunnen waarnemen. De oerknal-kosmologie impliceert echter dat het leven alleen mogelijk is voor een beperkte tijdspanne: het universum was te heet in het verre verleden en het heeft beperkte middelen voor de toekomst. De meeste sterrenstelsels produceren nog steeds nieuwe sterren, maar vele anderen hebben hun voorraad gas al uitgeput. Over dertig miljard jaar zullen sterrenstelsels veel donkerder zijn en gevuld met dode of stervende sterren, dus er zullen veel minder planeten zijn die het leven kunnen ondersteunen zoals het nu bestaat.
Het universum kan zich voor altijd uitbreiden, waarbij alle sterrenstelsels en sterren uiteindelijk donker en koud worden. Het alternatief voor deze Big Chill is een Big Crunch. Als de massa van het universum groot genoeg is, zal de zwaartekracht uiteindelijk de expansie omkeren en alle materie en energie worden herenigd. Tijdens het volgende decennium, als onderzoekers technieken verbeteren voor het meten van de massa van het universum, kunnen we gaan ontdekken of de huidige expansie op weg is naar een Big Chill of een Big Crunch.
In de nabije toekomst verwachten we nieuwe experimenten die de oerknal beter begrijpen. Naarmate we de metingen van de expansiesnelheid en de leeftijd van sterren verbeteren, kunnen we misschien bevestigen dat de sterren inderdaad jonger zijn dan het zich uitbreidende universum. De grotere telescopen die recent zijn voltooid of in aanbouw zijn, kunnen ons mogelijk laten zien hoe de massa van het universum de kromming van ruimtetijd beïnvloedt, die op zijn beurt onze waarnemingen van verre sterrenstelsels beïnvloedt.
We zullen ook doorgaan met het bestuderen van kwesties die niet worden behandeld in de oerknalkosmologie. We weten niet waarom er een oerknal was of wat er eerder bestond. We weten niet of ons universum broers en zussen heeft – andere uitbreidende regio’s die ver verwijderd zijn van wat we kunnen waarnemen. We begrijpen niet waarom de fundamentele constanten van de natuur de waarden hebben die ze hebben. Vooruitgang in deeltjesfysica suggereert een aantal interessante manieren waarop deze vragen kunnen worden beantwoord; de uitdaging is om experimentele testen van de ideeën te vinden.
Bij het volgen van de discussie over dergelijke zaken van de kosmologie moet men er rekening mee houden dat alle fysieke theorieën benaderingen van de werkelijkheid zijn die kunnen falen als ze te ver worden doorgedrukt. De natuurwetenschappen gaan vooruit door eerdere theorieën op te nemen die experimenteel worden ondersteund in grotere, meer omvattende kaders. De oerknaltheorie wordt ondersteund door een schat aan bewijs: het verklaart de kosmische achtergrondstraling, de overvloed aan lichtelementen en de Hubble-expansie. Zo zal elke nieuwe kosmologie zeker het oerknalbeeld bevatten. Welke ontwikkelingen de komende decennia ook zullen brengen, de kosmologie is van een tak van filosofie naar een natuurwetenschap gegaan waar hypothesen voldoen aan de test van observatie en experiment.
© Sterrenkundig
- Geïsoleerd sterrenstelsel Markarian 1216 heeft een kern van donkere materie
- Exoplaneet ontdekt op een heel bijzondere plek
- Een van de grootste raadsels: waarom is omgeving buiten de Zon heter dan de Zon zelf?
- Detectie van krachtige winden veroorzaakt door een superzwaar zwart gat
- De top 10 van grootste sterren