Het heelal: een kosmisch drieluik

Iedereen heeft tijdens een heldere sterrenavond wel eens een blik omhoog geworpen, en daarbij een van de belangrijkste eigenschappen van het heelal ontdekt: het is leeg, donker en zo op het oog vrijwel onveranderlijk. Maar helemaal leeg, donker en onveranderlijk is het heelal nu ook weer niet. Wat zit erin? Waar komen de talrijke sprankjes licht vandaan? En hoe (snel) verandert het heelal en alles wat erin zit?

Vanuit het standpunt van de mens kun je het heelal ruwweg in drie stukken onderverdelen:
• Ons eigen zonnestelsel, dat gevormd wordt door de zon, de planeten (waaronder de aarde), hun manen, en nog vele kleinere hemellichamen zoals planetoïden, meteoroïden en kometen.
• Het Melkwegstelsel: een platte schijf van enkele honderden miljarden sterren waarvan de zon er één is.
• De grote-schaalstructuur, die in feite niets anders is dan een grofmazig netwerk van honderden miljarden melkwegstelsels (hiernaast) zoals het onze.
Deze onderverdeling is in zekere zin willekeurig: ze is voornamelijk gebaseerd op onze belevingswereld – het hemd is nader dan de rok. Ze heeft ook historische wortels: eerst werd onze eigen planeet verkend en in kaart gebracht, vervolgens de maan, iets later de planeten en ten slotte de sterren, het Melkwegstelsel en de andere melkwegstelsels. Dat is ook logisch, want veel van onze kennis over het heelal hebben we pas kunnen verkrijgen dankzij de telescoop, een instrument dat pas begin zeventiende eeuw zijn intrede deed. Hoe verder we het heelal in duiken, des te ‘verser’ is onze kennis.

Het zonnestelsel: zon, maan en aarde onder de loep

Je hoeft niet veel fantasie of wetenschappelijk inzicht te hebben, om te kunnen inzien dat de drie bekendste hemellichamen – zon, maan en aarde – enorm van elkaar verschillen. Eigenlijk is hun bolvorm het voornaamste dat ze gemeen hebben, al zijn er ook andere overeenkomsten. Waarom de drie verder zo veel van elkaar verschillen ligt echter niet zo voor de hand, zeker niet als je niet zo erg vertrouwd bent met de wereld van sterren en planeten.
De maan ziet er op het eerste gezicht heel anders uit dan zon en aarde, maar lijkt toch het meest op laatstgenoemde. Het verwarrende is dat de maan er van de aarde af gezien steeds anders uitziet. Soms is het een heldere ‘schijf’ zoals de zon, maar dan minder fel stralend, op andere momenten een dun sikkeltje dat al spoedig na de zon ondergaat. Deze veranderlijke gedaante wordt, met een mooi Oud-Nederlands woord, de schijngestalte van de maan genoemd; sterrenkundigen spreken ook wel van de maanfase.
Aan de maan zelf verandert niets, maar wel aan zijn positie ten opzichte van zon en aarde. De verklaring ligt in het feit dat er in ons hele zonnestelsel maar één hemellichaam is dat licht uitstraalt, en dat is de zon! Alle andere objecten in het zonnestelsel doen niets anders dan een beetje van het zonlicht weerspiegelen. Ook de maan is zo’n ‘spiegel’, zij het een tamelijk slechte: slechts een klein beetje (12%) van het zonlicht dat de maan ontvangt wordt door hem weerkaatst.

De maan beweegt in een vrijwel cirkelvormige baan om de aarde; over elke ronde doet hij ongeveer vier weken. Als de maan vanaf de aarde gezien tegenover de zon aan de hemel staat, wordt de naar de aarde gerichte zijde volledig door de zon verlicht, en zien we dus een Volle Maan. Staat de maan daarentegen min of meer tussen zon en aarde in, dan zien we uiteraard alleen zijn donkere kant: het is Nieuwe Maan. (In sommige gevallen leiden deze situaties tot de fraaie natuurverschijnselen maansverduistering en zonsverduistering.) Alle andere maanfasen liggen tussen deze beide extremen in: hoe dichter zon en maan elkaar aan de hemel naderen, des te smaller is het maansikkeltje dat overblijft.
Zon en maan hebben dus een duidelijke onderlinge relatie: de zon geeft licht, dat door de maan wordt weerkaatst. Een veelgehoord misverstand is dat de zon alleen overdag te zien is, en de maan alleen ’s nachts. Het eerste klopt, maar het laatste niet! Zoals we hebben gezien zijn er momenten dat de maan betrekkelijk dichtbij de zon aan de hemel staat. Op zulke momenten kunnen we de maan vaak gewoon overdag zien. Dan blijkt ook hoe weinig zonlicht de maan eigenlijk weerkaatst.
Zojuist is terloops opgemerkt dat de maan in een baan om de aarde draait. Het is belangrijk om te weten dat dit tevens het enige hemellichaam is dat om onze planeet cirkelt. Zon en sterren lijken weliswaar om de aarde te draaien – ze komen immers op in het oosten en gaan onder in het westen – maar dat is het gevolg van de draaiing van de aarde! Alle grote en kleine hemellichamen van ons zonnestelsel (dus ook de aarde!) bewegen in banen om de zon, al zijn deze banen lang niet altijd mooi rond. Soortgelijke baanbewegingen komen we ook elders in het heelal tegen – ze zijn eenvoudig het gevolg van de belangrijkste kracht die de onderlinge bewegingen van de hemellichamen bestiert: de zwaartekracht.

De negen planeten van ons zonnestelsel op dezelfde schaal. Van boven naar beneden zijn te zien: Mercurius Venus aarde Mars Jupiter Saturnus Uranus Neptunus Pluto De onderlinge afstanden zijn overigens niet op schaal weergegeven. In werkelijkheid staan de planeten veel verder uit elkaar.

Zojuist merkten we terloops op dat de zon het enige hemellichaam in ons zonnestelsel is dat licht uitzendt. Dat is bepaald niet het enige waarin de zon zich van de planeten en manen onderscheid. Ze is veel groter dan zelfs de grootste van de planeten (Jupiter) en bevat in het geheel geen ‘vaste onderdelen’, zoals een rotskern. De zon is een gloeiende bal van extreem hete gassen die immense hoeveelheden licht en warmte uitstralen. Het voert te ver om hier dieper op deze stralende gassen in te gaan, maar een paar belangrijke eigenschappen willen we hier niet onvermeld laten:
• Het gas van de zon lijkt niet op de gassen die we op aarde tegenkomen (zoals aardgas bijvoorbeeld): het is een door de zwaartekracht samengeperste massa die eerder aan een stroperige vloeistof doet denken.
• Op de zon brandt niets: de warmte komt uit het diepe binnenste van de zon en is niet het gevolg van normale verbrandingsprocessen, zoals het verbranden van steenkool of aardgas, maar van kernfusie. De gassen aan het zonsoppervlak kunnen we zien, doordat ze vanuit het binnenste van de zon tot temperaturen van ongeveer 6000 graden zijn verhit.
• Het zonsoppervlak gloeit niet zo gelijkmatig als het lijkt. Vaak zijn hier donkere vlekjes te zien: de zonnevlekken. Zonnevlekken zijn koele gebieden op de zon.

Het Melkwegstelsel: een pannenkoek van sterren

Een van de eigenschappen van het zonnestelsel die we niet genoemd hebben, is het feit dat zon, aarde, de overige planeten en hun manen bijna allemaal in een en hetzelfde vlak bewegen. Anders gezegd: als je van opzij naar het zonnestelsel kijkt, dan is het of je naar de zijkant van een pannenkoek kijkt. Slechts een enkele planeet (Pluto) en een gedeelte van de kleinere hemellichamen (kometen, sommige planetoïden) stijgen boven en onder het centrale vlak uit.

Dat ‘platte-vlakgedrag’ kom je overal in het heelal tegen. Materie die – om wat voor reden dan ook – om een centraal punt draait, heeft de neiging om zich in een platte schijf te organiseren. Dat geldt niet alleen voor het zonnestelsel, maar ook voor het veel grotere (een factor 100.000!) Melkwegstelsel, waar onze zon en haar planetenfamilie deel van uitmaken. De vergelijking met een pannenkoek is niet eens zo gek: denk maar aan de pizzabakker die zijn deeg met veel vaart ronddraait om een pizzabodem te maken.
Zoals de planeten om de zon draaien, zo draaien de sterren van het Melkwegstelsel om een centrum dat zich hier ongeveer 30.000 lichtjaar vandaan bevindt. Doen de planeten enkele maanden tot vele jaren over één omloop om de zon, de zon doet ongeveer 250 miljoen jaar over één omloop om het centrum van het Melkwegstelsel. Dat lijkt erg langzaam, maar als je er even aan rekent, blijkt dat de zon daarbij met een snelheid van 220 kilometer per seconde beweegt. Ter vergelijking: de snelste planeet van ons zonnestelsel – Mercurius – heeft een snelheid van 48 kilometer per seconde.
Het grappige van het Melkwegstelsel is dat je (tijdens onbewolkt weer en in een donkere omgeving) zélf kunt constateren dat het een platte schijf is. We kunnen ons Melkwegstelsel ’s avonds en ’s nachts namelijk gewoon zien. Het is de vage, lichtgevende band die zich over de gehele hemelkoepel uitstrekt, en die al sinds de oudheid de melkweg wordt genoemd. Omdat we ons met de zon in het Melkwegstelsel bevinden, zien we het feitelijk alleen in zijaanzicht; van bovenaf zouden we echt een ronde schijf zien.
Als je een telescoop of zelfs maar een verrekijker op het vage schijnsel richt, kom je er al snel achter waar de hemelgloed vandaan komt: van ontelbare sterren! Doordat de afstanden in het Melkwegstelsel zo groot zijn, kunnen we lang niet alle sterren als afzonderlijke lichtpuntjes zien. Verreweg de meeste van de naar schatting 200 miljard sterren zijn versmolten tot een onherkenbare band van licht. Slechts enkele duizenden – de meest nabije – zien we als lichtpuntjes.
Daarmee zijn we aangekomen bij de hemellichamen die het aanzien van het heelal bepalen: de sterren. Door de reusachtige afstanden in het heelal lijken het kleine lichtpuntjes, maar in werkelijkheid geven de meeste ongeveer net zo veel licht als onze zon – soms ook meer of minder. Als je daar eenmaal achter bent, ligt de belangrijkste conclusie voor de hand: elke ster is, net als onze zon, een grote, hete bal van licht en warmte uitstralend gas.
Bij nader onderzoek blijken er grote verschillen te zijn tussen de afzonderlijke sterren. Daar zijn zelfs zonder ingewikkelde waarneeminstrumenten al aanwijzingen voor te vinden. Wie wat langer naar de sterrenhemel kijkt, zal opmerken dat de sterren kleurverschillen vertonen. De ene is ‘gewoon’ wit of witgeel, de andere duidelijk blauwer of roder.
Met telescopen en andere waarneeminstrumenten hebben sterrenkundigen vastgesteld dat de kleur van een ster een directe weerspiegeling is van zijn oppervlaktetemperatuur. Het is net als met een stuk ijzer dat je in een hete vlam houdt: bij een zekere temperatuur begint het metaal een donkerrode gloed uit te zenden, die bij verdere verhitting overgaat in fel oranje en ten slotte in witheet. De koelere sterren in ons Melkwegstelsel zijn rood van kleur. Gemiddelde sterren, zoals onze zon, zijn geel, en de allerheetste zijn blauwwit.
Sterren verschillen niet alleen in kleur en temperatuur. Ze kunnen verschillen in grootte, gewicht, helderheid, bouw en scheikundige samenstelling. Maar ondanks deze verschillen werken ze allemaal volgens hetzelfde principe: in hun inwendige wordt energie geproduceerd die als licht en warmte aan hun oppervlak tevoorschijn komt.

Van gaswolk tot ster tot supernova Toen sterrenkundigen enkele honderden jaren geleden de eerste telescopen op de hemel richtten, bleek al snel dat de hemel niet alleen met sterren is bezaaid. Tussen de ontelbare lichtstipjes zijn bijna net zovele vage nevelvlekjes, gasflarden en donkere ‘wolken’ te zien (zie foto’s hiernaast). Het voert te ver om hier diep op in te gaan, maar een aantal feiten willen we u toch niet onthouden. De nevelvlekjes tussen de sterren bestaan uit dezelfde materie als de sterren zelf. Sommige zijn ook uit sterren ontstaan. Als een ster aan het eind van zijn bestaan komt, stoot hij in veel gevallen een deel van zijn materie uit – soms met explosief geweld (supernova). Andere nevelvlekjes zijn juist gaswolken waaruit nog geen sterren zijn ontstaan: de waarnemingen duiden erop dat er in gaswolken als deze verdichtingen kunnen ontstaan, die uiteindelijk tot de vorming van sterren – in feite niets anders dan zeer compacte, bolvormige gaswolken! – kunnen leiden. Aangenomen wordt dat alle sterren, dus ook de zon, op dezelfde wijze zijn ontstaan: uit verdichtingen in een gaswolk in de ruimte. Daaruit werd al snel geconcludeerd dat het (dus) zeer waarschijnlijk is dat niet alleen de zon door een planetenstelsel wordt begeleid, maar dat dit ook bij sommige, veel of misschien zelfs alle sterren het geval zal zijn. En de laatste jaren zijn duidelijke aanwijzingen gevonden dat deze conclusie terecht was: reeds bij enkele tientallen andere sterren zijn planeten ontdekt. Door de grote afstanden in het Melkwegstelsel kunnen we deze planeten helaas niet rechtstreeks bekijken, maar langs indirecte weg is nu toch wel vrijwel onomstotelijk vast komen te staan dát ze er zijn. Ons zonnestelsel is dus beslist niet uniek!

Een gaswolk: de Orionnevel Een jonge sterrenhoop: de Pleiaden Het restant van een ontplofte ster: de Krabnevel

De grote-schaalstructuur: luchtiger dan slagroom

We hebben gezien dat het Melkwegstelsel ruwweg een factor honderdduizend groter is dan ons zonnestelsel. Maar daarmee zijn de grenzen van het heelal nog lang niet in zicht. Het heelal wemelt namelijk van de melkwegstelsels: het zijn er zeker enkele honderden miljarden. Desondanks kun je het heelal bepaald niet ‘vol’ noemen: gemiddeld is er voor elk melkwegstelsel meer dan tienduizend melkwegstelsels aan lege ruimte. Niet alle melkwegstelsels zijn van die platte pannenkoeken, overigens. Je hebt ze in alle soorten en maten: op foto’s zijn deze zichtbaar als min of meer vage vlekjes die soms nauwelijks tegen de donkere hemelachtergrond afsteken.
Melkwegstelsels zijn onder invloed van de zwaartekracht in kleine of grote groepen samengebracht. Zo maakt ons eigen Melkwegstelsel deel uit van een tamelijk klein groepje stelsels, dat de Lokale Groep wordt genoemd. Van grote afstand gezien vormen groepjes als deze weer lange slierten die zich over reusachtige afstanden (vele honderden miljoenen lichtjaren) kunnen uitstrekken. Tussen al die lange slierten van melkwegstelsels zijn grote lege gebieden, waar we bijna geen melkwegstelsels tegenkomen. Het heelal is als het ware gevuld met een soort zeepsop, waarbij de oppervlakken van de zeepbellen uit melkwegstelsels bestaan. Het geheel is vele malen luchtiger dan slagroom.
Sterrenkundigen denken dat het heelal niet altijd zo ‘luchtig’ is geweest als nu. Uit waarnemingen blijkt dat de afstanden tussen de melkwegstelsels groter worden. Het heelal groeit, en iets dat groeit moet vroeger kleiner zijn geweest. De huidige meetgegevens duiden erop dat het heelal ongeveer vijftien miljard jaar geleden een zeer compacte bal van energie is geweest, die op explosieve wijze tot ontwikkeling kwam. Deze explosie wordt vaak de Big Bang of oerknal genoemd.

Telescopen en satellieten

Boven: een van de radioschotels van de synthese-radiotelescoop te Westerbork. Bij deze radiotelescoop worden de signalen van veertien 25-meter grote schotels met elkaar gecombineerd om een grotere gevoeligheid en beeldscherpte te verkrijgen. Onder: de infraroodsatelliet ISO, een Europese kunstmaan die van 1995 tot 1998 in bedrijf was. Met ISO is o.m. onderzoek gedaan aan stervormingsgebieden en jonge sterren en hun omgeving.