Het heelal

Als je op een heldere avond naar boven kijkt, zie je misschien de maan, enkele planeten en honderden sterren. Toch vormt alles wat je met het blote oog kunt zien maar een minuscuul deel van het heelal.

Het heelal omvat alles wat bestaat: ruimte, tijd, materie en energie. Van de aarde onder onze voeten tot sterrenstelsels op miljarden lichtjaren afstand. Maar hoe is het heelal ontstaan? Hoe groot is het? En waaruit bestaat het eigenlijk?

In dit artikel nemen we je mee op reis door het universum.

Wat is het heelal?

Het heelal, ook wel het universum genoemd, is het geheel van ruimte, tijd, materie en energie. Alles wat bestaat, maakt er deel van uit.

Daaronder vallen onder andere:

• sterren;
• planeten en manen;
• sterrenstelsels;
• gas- en stofwolken;
• nevels;
• kometen en planetoïden;
• zwarte gaten;
• straling;
• donkere materie;
• donkere energie.

Ook wijzelf maken dus deel uit van het heelal.

Onze aarde draait om de zon. De zon is slechts één ster binnen het sterrenstelsel dat we de Melkweg noemen. En de Melkweg is op zijn beurt slechts één van de enorme hoeveelheid sterrenstelsels die we in het waarneembare heelal aantreffen.

Hoe oud is het heelal?

Volgens de huidige wetenschappelijke inzichten is het heelal ongeveer 13,8 miljard jaar oud.

Astronomen kunnen deze leeftijd onder andere bepalen door de oudste sterren te bestuderen, de uitdijing van het heelal te meten en onderzoek te doen naar de kosmische achtergrondstraling.

Om je een voorstelling te geven van 13,8 miljard jaar: onze aarde ontstond pas ongeveer 4,6 miljard jaar geleden. Het heelal bestond dus al ruim negen miljard jaar voordat ons zonnestelsel werd gevormd.

Het ontstaan van het heelal

De meest geaccepteerde wetenschappelijke verklaring voor het ontstaan en de ontwikkeling van ons heelal is het oerknalmodel, beter bekend als de Big Bang.

De naam kan enigszins misleidend zijn. De oerknal moet je niet voorstellen als een enorme bom die ergens in een lege ruimte ontplofte. Het was de ruimte zelf die zich begon uit te dijen.

In het zeer jonge heelal waren de temperatuur en dichtheid extreem hoog. Naarmate het heelal uitdijde, koelde het steeds verder af.

In de eerste minuten ontstonden onder andere de kernen van lichte elementen zoals waterstof en helium. Pas ongeveer 380.000 jaar na de oerknal was het heelal voldoende afgekoeld om neutrale atomen te vormen. Vanaf dat moment kon licht veel gemakkelijker door de ruimte reizen.

Dat oeroude licht kunnen astronomen tegenwoordig nog steeds meten. We noemen dit de kosmische microgolfachtergrondstraling.

De eerste sterren

Na het ontstaan van de eerste atomen brak een periode aan waarin er nog geen sterren waren. Deze periode wordt ook wel de kosmische donkere eeuwen genoemd.

Door de zwaartekracht begon gas langzaam samen te klonteren. Sommige gaswolken werden steeds dichter en warmer.

Uiteindelijk werden de omstandigheden in het centrum van deze wolken zo extreem dat kernfusie kon beginnen.

De eerste sterren waren geboren.

Volgens huidige modellen ontstonden de eerste sterren enkele honderden miljoenen jaren na de oerknal. Uit groepen sterren en enorme hoeveelheden gas ontstonden vervolgens de eerste sterrenstelsels.

Sterrenstelsels

Een sterrenstelsel is een enorme verzameling sterren, gas, stof en donkere materie die door zwaartekracht bij elkaar wordt gehouden.

Onze zon bevindt zich in de Melkweg.

De Melkweg bevat minstens ongeveer 100 miljard sterren. Veel van deze sterren hebben waarschijnlijk één of meerdere planeten om zich heen.

Maar de Melkweg is niet het enige sterrenstelsel.

Wanneer we met krachtige telescopen diep het heelal in kijken, ontdekken we overal sterrenstelsels. Sommige zijn spiraalvormig zoals de Melkweg, terwijl andere elliptisch of onregelmatig van vorm zijn.

Daardoor kun je het heelal bijna zien als een gigantische kosmische oceaan waarin sterrenstelsels enorme eilanden vormen.

Afstanden in het heelal

Afstanden in het heelal zijn zo groot dat kilometers al snel onpraktisch worden. Daarom gebruiken astronomen vaak het lichtjaar.

Een lichtjaar is geen tijdseenheid, maar een afstand.

Het is de afstand die licht in één jaar aflegt.

Licht beweegt met ongeveer 300.000 kilometer per seconde. In één jaar legt het daardoor ongeveer 9,46 biljoen kilometer af.

De dichtstbijzijnde ster na de zon, Proxima Centauri, staat bijvoorbeeld ruim vier lichtjaar van ons vandaan.

Dat betekent dat het licht dat we vandaag van deze ster zien, meer dan vier jaar onderweg is geweest.

Kijken naar het verleden

Een van de bijzonderste eigenschappen van astronomie is dat we letterlijk terugkijken in de tijd.

Wanneer je naar de zon kijkt – uiteraard alleen met geschikte bescherming – zie je de zon zoals hij ongeveer acht minuten geleden was. Het zonlicht heeft namelijk tijd nodig om de aarde te bereiken.

Bij verre sterren en sterrenstelsels wordt dit effect nog indrukwekkender.

Een sterrenstelsel op een afstand van één miljard lichtjaar zien we zoals het er één miljard jaar geleden uitzag.

Hoe verder astronomen het heelal in kijken, hoe verder ze dus terugkijken in de geschiedenis van het universum.

Telescopen zijn daardoor eigenlijk een soort tijdmachines.

Hoe groot is het heelal?

Dit is een van de lastigste vragen binnen de astronomie.

We weten namelijk niet hoe groot het volledige heelal is. Het kan veel groter zijn dan het gedeelte dat we kunnen waarnemen en mogelijk zelfs oneindig groot zijn.

Daarom spreken astronomen vaak over het waarneembare heelal.

Dat is het gedeelte waarvan licht sinds het ontstaan van het heelal voldoende tijd heeft gehad om ons te bereiken.

Omdat de ruimte zelf ondertussen is uitgedijd, is het waarneembare heelal veel groter dan simpelweg 13,8 miljard lichtjaar van rand tot rand.

Wat zich buiten het waarneembare heelal bevindt, kunnen we op dit moment niet rechtstreeks zien.

Het heelal dijt uit

Een van de belangrijkste ontdekkingen binnen de moderne astronomie is dat het heelal uitdijt.

Sterrenstelsels staan gemiddeld steeds verder uit elkaar doordat de ruimte tussen sterrenstelsels groter wordt.

Je kunt dit enigszins vergelijken met stippen op een ballon.

Wanneer je een ballon opblaast, komen alle stippen verder uit elkaar te liggen. De stippen bewegen daarbij niet noodzakelijk zelf over het oppervlak; het oppervlak tussen de stippen wordt groter.

Het heelal werkt natuurlijk ingewikkelder, maar deze vergelijking helpt om kosmische uitdijing te begrijpen.

Nog opmerkelijker is dat astronomen hebben ontdekt dat de uitdijing van het heelal tegenwoordig versnelt.

Waaruit bestaat het heelal?

Hier wordt het heelal pas echt mysterieus.

Alles wat we om ons heen zien – mensen, planeten, sterren en gaswolken – bestaat uit gewone materie. Toch vormt deze gewone materie slechts een klein gedeelte van de totale inhoud van het universum.

Volgens het huidige kosmologische model bestaat het heelal grofweg uit:

5% gewone materie
Dit is de materie waaruit sterren, planeten, gas, stof en wijzelf bestaan.

27% donkere materie
We kunnen donkere materie niet rechtstreeks zien. Astronomen leiden het bestaan ervan af uit de zwaartekrachteffecten die het veroorzaakt.

68% donkere energie
Donkere energie is nog raadselachtiger. Wetenschappers denken dat deze vorm van energie samenhangt met de versnelde uitdijing van het heelal.

Dat betekent iets heel bijzonders:

Het grootste gedeelte van het heelal begrijpen we nog niet.

Zwarte gaten

Tot de meest mysterieuze objecten in het heelal behoren zwarte gaten.

Een zwart gat is een gebied waar de zwaartekracht zo sterk is dat voorbij een bepaalde grens zelfs licht niet meer kan ontsnappen.

Sommige zwarte gaten ontstaan wanneer zeer zware sterren aan het einde van hun leven instorten.

Daarnaast bestaan er superzware zwarte gaten met miljoenen of zelfs miljarden keren de massa van onze zon. Astronomen denken dat zich in het centrum van vrijwel ieder groot sterrenstelsel zo'n superzwaar zwart gat bevindt.

Ook in het centrum van onze Melkweg bevindt zich een superzwaar zwart gat: Sagittarius A*.

Is er leven in het heelal?

Misschien wel de grootste vraag van allemaal:

Zijn wij alleen?

Tot nu toe is de aarde de enige plaats waarvan we met zekerheid weten dat er leven bestaat.

Toch hebben astronomen inmiddels duizenden exoplaneten ontdekt: planeten die rond andere sterren draaien.

Sommige bevinden zich in een gebied rond hun ster waar temperaturen mogelijk geschikt zijn voor vloeibaar water. Dat betekent niet automatisch dat daar leven bestaat, maar zulke planeten zijn interessante plaatsen om verder te onderzoeken.

Met moderne telescopen proberen wetenschappers steeds meer te ontdekken over de atmosferen van verre planeten.

Misschien vinden we ooit aanwijzingen dat het leven niet uniek is voor de aarde.

Hoe zal het heelal eindigen?

Ook over de verre toekomst van het heelal bestaan grote vragen.

Omdat waarnemingen laten zien dat de kosmische uitdijing versnelt, denken veel kosmologen dat het heelal waarschijnlijk nog zeer lange tijd zal blijven uitdijen.

Sterren zullen uiteindelijk uitdoven en steeds minder nieuwe sterren zullen ontstaan.

Op onvoorstelbaar lange tijdschalen zou het heelal daardoor steeds donkerder, leger en kouder kunnen worden.

Dit scenario wordt vaak de Big Freeze genoemd.

Maar onderzoek naar donkere energie en de ontwikkeling van het universum gaat door. Onze ideeën over de verre toekomst kunnen veranderen wanneer we meer over het heelal ontdekken.

Het grootste mysterie dat we kennen

We hebben in relatief korte tijd ongelooflijk veel over het universum geleerd.

We weten dat sterren worden geboren en sterven. We kunnen sterrenstelsels op miljarden lichtjaren afstand waarnemen. We hebben planeten rond andere sterren ontdekt en zelfs beelden gemaakt van de omgeving van zwarte gaten.

En toch staan we waarschijnlijk nog maar aan het begin.

Wat is donkere materie precies? Wat veroorzaakt donkere energie? Hoe zag het allervroegste heelal eruit? Bestaat er leven op andere planeten? En hoe groot is het volledige universum werkelijk?

Het heelal zit nog vol onbeantwoorde vragen.

En juist dat maakt astronomie zo fascinerend.

Iedere keer dat je 's avonds omhoogkijkt, kijk je niet alleen naar sterren. Je kijkt naar een klein gedeelte van een universum dat al ongeveer 13,8 miljard jaar bestaat – en waarvan nog enorm veel ontdekt moet worden.