Help, het heelal verdwijnt!

Impressie van het leger wordende heelal. In de verre toekomst zullen, door de steeds snellere uitdijing van het heelal, vanuit onze omgeving alleen nog de meest nabije soortgenoten van ons Melkwegstelsel (linksonder) te zien zijn. (Illustratie: CfA)
Sterrenkundigen houden zich niet alleen bezig met het heden en verleden van het heelal, maar ook met de verre toekomst ervan. Nieuwe berekeningen laten zien dat er nooit een einde komt aan ruimte en tijd, maar dat het aanzien van het heelal wel aanmerkelijk saaier zal worden. Niet alleen zullen de waarneembare melkwegstelsels drastisch in aantal afnemen, zij zullen bovendien steeds minder veranderingen vertonen.

Kosmologen heten ze, de sterrenkundigen die zich met het ontstaan en de evolutie van ons heelal bezighouden. Eigenlijk is de kosmologie zo’n beetje de oudste tak van de sterrenkunde: zelfs in oude culturen is al sprake van allerlei scheppingsverhalen, al was het wetenschappelijke gehalte ervan steevast beperkt. Tot de twintigste eeuw hadden alle kosmologische theorieën gemeen dat ze uitgingen van een betrekkelijk klein heelal, dat ongetwijfeld een begin c.q. een schepper moet hebben gehad, maar dat wellicht tot in de eeuwigheid in zijn huidige vorm zou blijven voortbestaan.
Zelfs bij Albert Einstein, die in 1916 zijn algemene relativiteitstheorie publiceerde, waaruit bleek dat het heelal wel degelijk aan veranderingen onderhevig zou kunnen zijn, was er lange tijd van overtuigd dat de kosmos vrijwel onveranderlijk was. Hij toverde voor zijn theorie zelfs een constante uit de hoge hoed die ervoor zorgde dat de relativiteitstheorie in overeenstemming kon worden gebracht met datgene wat iedereen ‘wist’: het heelal wordt niet groter of kleiner.
Als Einstein wat meer vertrouwen in zijn eigen theorie had gehad, zou zijn faam zo mogelijk nog grotere vormen hebben aangenomen. Collega-wetenschappers als Willem de Sitter en de Rus Alexander Friedmann toonden namelijk al snel aan dat de algemene relativiteitstheorie in de mogelijkheid omvat dat het heelal groter wordt. En inderdaad, in de jaren twintig stelden de Amerikaanse astronomen Milton Humason en Edwin Hubble vast dat dit werkelijk het geval is: de ruimte tussen de melkwegstelsels wordt steeds groter, waardoor het lijkt alsof alle stelsels van ons vandaan bewegen. Het heelal is een rijzend krentenbrood, waarbij de ruimte uit brood bestaat en de melkwegstelsels de krenten zijn.

Donkere materie

Sinds een jaar of zeventig weten we dus dat het heelal groter wordt. Verreweg de meeste sterrenkundigen zijn ervan overtuigd dat dit een gevolg is van de oerknal, de explosieve gebeurtenis waarbij materie, ruimte en tijd zijn ontstaan. Maar wat betekent de uitdijing voor de verre toekomst?
Wat er precies gebeurt, is een kwestie van massa: als er voldoende materie in het heelal aanwezig is, wordt de uitdijing afgeremd door de zwaartekracht. De uitdijing kan eeuwig blijven doorgaan, maar het is ook mogelijk dat er zó veel sterren, gaswolken en andere materievormen in de ruimte rondzwerven dat de zwaartekracht de uitdijing van het heelal uiteindelijk stopt en in zijn achteruit zet. In het laatste geval zou het heelal op een zeker moment dus weer gaan krimpen.
Gedurende een groot gedeelte van de afgelopen eeuw hebben kosmologen zich beziggehouden met de verschillende toekomstscenario’s voor het heelal. Bij gebrek aan betrouwbare waarneemgegevens hebben alle mogelijkheden lange tijd open gestaan. Zou er inderdaad genoeg materie zijn om het heelal uiteindelijk weer te laten krimpen totdat er een soort omgekeerde oerknal zou plaatsvinden? Of zou de uitdijing eeuwig blijven doorgaan en zouden sterrenkundigen over miljarden jaren langzamerhand alle melkwegstelsels van zich weg zien bewegen tot het moment dat de laatste sterren uitdoven?

Deel van de ruimtelijke kaart van het heelal, zoals die gemaakt is bij het 2dF-project. Elk stipje is een melkwegstelsel. (Illustratie: Matthew Colless (ANU) et al, 2dF Galaxy redshift survey)

Er lijkt schot in de zaak te komen. Enkele weken geleden werden de resultaten bekendgemaakt van de Australische 2dF-survey: een onderzoek waarbij de ruimtelijke posities en snelheden van meer dan 200.000 melkwegstelsels in kaart zijn gebracht. De survey had onder meer als doel om na te gaan hoeveel donkere materie het heelal bevat naast de hoeveelheid materie die we in de vorm van sterren en gaswolken ook werkelijk kunnen zien. Waarnemingen aan melkwegstelsels hebben enkele tientallen jaren geleden namelijk laten zien dat het overgrote deel van alle materie in het heelal geen waarneembare hoeveelheden licht of andere vormen van straling uitzendt.
‘Waar materie is, is zwaartekracht,’ aldus de Amerikaanse astronome Licia Verde die de 2dF-gegevens heeft helpen uitwerken. ‘En de aantrekkende werking ervan heeft de melkwegstelsels een ongelijkmatige verdeling gegeven.’ Volgens Verde is het alsof je ’s nachts naar een verlichte kerstboom kijkt: je ziet de lampjes wel, maar de boom zelf niet. Met behulp van computermodellen hebben sterrenkundigen deze ‘boom’ nu gereconstrueerd. ‘Nu we weten hoe de donkere materie in het heelal verdeeld is, weten we ook hoeveel ervan er is: ongeveer zeven maal zo veel als gewone materie, maar slechts een kwart van wat nodig is om de uitdijing van het heelal tot staan te brengen.’

Versnellende uitdijing

Afhankelijk van de hoeveelheid (donkere) materie en energie, zal het heelal weer ineenstorten, blijven uitdijen of zelfs versneld uitdijen. Momenteel lijkt de laatste mogelijkheid de meest waarschijnlijke. (Illustratie: STScI)
De waarnemingen duiden er dus op dat het heelal zal blijven uitdijen. En misschien is het nog ‘erger’ dan dat. Enkele jaren geleden zijn er aanwijzingen gevonden dat de uitdijing van het heelal op dit moment sneller gaat dan enkele miljarden jaren geleden. Om deze versnellende uitdijing te kunnen verklaren hebben wetenschappers de term ‘donkere energie’ geïntroduceerd: een vorm van energie die een afstotende invloed op materie heeft.
Het onderzoek naar de donkere energie bevindt zich nog in een zeer pril stadium, en nog lang niet alle kosmologen zijn overtuigd van het bestaan ervan of zelfs maar van het feit dat de uitdijing van het heelal steeds sneller gaat. Maar aan de andere kant zijn er ook theoretici die alvast een blik vooruit werpen en zich bezighouden met wat de versnellende uitdijing van het heelal betekent voor het aanzien van de sterrenhemel. Volgens Abaraham Loeb, theoretisch astrofysicus bij het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, zou het wel eens een heel kale boel kunnen worden in ons heelal. Naarmate het heelal verder en sneller uitdijt, zullen steeds minder melkwegstelsels zichtbaar zijn.
(Illustratie: Ann Feild (STScI))
Dat laatste is een rechtstreeks gevolg van de relativiteitstheorie. Doordat de ‘donkere energie’ van de ruimte de uitdijing van het heelal doet versnellen, zullen de melkwegstelsels met steeds groter wordende snelheden uit elkaar gaan. Het is alsof een mysterieuze pomp ons rijzende krentenbrood met steeds grotere kracht aan het opblazen is. In de loop van de komende 100 miljard jaar zal de versnelde uitdijing tot gevolg hebben dat er steeds minder melkwegstelsels te zien zijn. Het ene na het andere stelsels zal als het ware achter een kosmische horizon verdwijnen, doordat het licht dat het uitzendt de uitdijing van het heelal niet meer kan bijbenen. Ten slotte zal nog slechts een duizendtal nabije melkwegstelsels te zien zijn.

Bevroren

Wat nog gekker is, is dat de zwakker wordende stelsels op een gegeven moment niet meer ouder lijken te worden. Zodra een stelsel de ‘horizon’ passeert, zal zijn beeld bevriezen in de tijd. Licht dat na het passeren van de horizon wordt uitgezonden, kan ons immers niet meer bereiken. ‘Dit proces is vergelijkbaar met wat je zou zien als een lichtbron in een zwart gat valt,’ legt Loeb uit. ‘Als het object de waarneemhorizon van het zwarte gat passeert, lijkt zijn beeld te bevriezen en te vervagen, omdat je het licht dat nadien wordt uitgezonden niet meer te zien krijgt.’
Ook in de min of meer ‘nabije’ toekomst heeft dit al gevolgen voor het kosmologische onderzoek van het heelal. Van melkwegstelsels die zich nu al dichtbij de horizon van het zichtbare heelal bevinden zijn nu vaak alleen de heldere kernen – zogeheten quasars – te zien. De verste quasars staan zo ver weg, dat het licht dat we nu van ze opvangen er 13 miljard jaar over heeft gedaan om ons te bereiken. (Het heelal is naar schatting 14 miljard jaar oud.) De berekeningen van Loeb laten zien dat zulke quasars al binnen enkele miljarden jaren in de buurt van onze waarneemhorizon van het heelal komen. Sterrenkundigen op aarde zullen zo’n object nooit ouder zien worden dan een jaar of zes miljard. Op dat moment ‘bevriest’ het en zal men het stilstaande beeld alleen maar zien vervagen.
Voor de sterrenkundigen van nu is dat natuurlijk geen reden tot zorg. Pas hun heel verre nazaten zullen met het probleem van het ‘verdwijnende heelal’ worden opgezadeld. ‘Het betekent natuurlijk wel dat de hoeveelheid informatie die we over het verre heelal kunnen verzamelen eindig is,’ aldus Loeb. ‘Over 50 tot 100 miljard jaar zullen we helemaal geen nieuwe gegevens over verre melkwegstelsels meer kunnen verzamelen.’