Afscheid van de eindkrak; SUPERNOVA'S EN CLUSTERS WERPEN NIEUW LICHT OP ONTWIKKELING HEELAL

Wat is de toekomst van ons heelal? De laatste berichten wijzen op een onverminderde uitdijing. Ruimte en tijd zullen eeuwig voortbestaan, maar in een duistere, lege en koude kosmos.

IN 1973 PUBLICEERDE de Amerikaanse fysicus en kosmoloog Steven Weinberg zijn boek The First Three Minutes. Hierin beschreef hij wat zich - fysisch gezien - in de eerste drie minuten na het ontstaan van het heelal (de Oerknal) heeft afgespeeld: het ontstaan van de natuurkrachten, elementaire deeltjes en straling. Het boek werd een bestseller en een begrip in de kosmologie. In de eerste plaats doordat Weinberg een goed auteur is en in de tweede plaats omdat het toen nogal gewaagd leek om zó ver terug te durven gaan in de tijd. Toch waren theoretici in die tijd al in staat om, stap voor stap terugrekenend vanuit de huidige toestand en eigenschappen van het heelal, de Oerknal zo dicht te benaderen. De bekende wetten van de fysica lieten dat nu eenmaal toe. Tegenwoordig kan het moment van de Oerknal theoretisch zelfs tot op 10 seconde worden benaderd, ofschoon we dan wel zeer exotische gebieden van de fysica betreden, zoals de quantumtheorieën en de theorieën van de verenigde krachten, deeltjes en velden.

In de afgelopen decennia zijn telkens nieuwe aanwijzingen gevonden die de nu 'klassieke' theorie over het ontstaan en de ontwikkeling van het heelal ondersteunen. Het heelal ontstond uit een situatie van ongelooflijk hoge dichtheid en temperatuur, dijde uit en koelde af, waardoor na zo'n miljard jaar uit de eerder gevormde zee van waterstof en helium sterrenstelsels konden ontstaan. De meest spectaculaire bevestiging van deze theorie is de ontdekking (in 1964 door Arno Penzias en Robert Wilson) van de kosmische microgolf-achtergrondstraling: het 'koele' overblijfsel van de baaierd van energie van de Oerknal.

Tot voor kort leefde bij sommige astronomen - en science fiction adepten - nog de hoop dat het heelal niet alleen gewone materie bevat, maar ook antimaterie. Beide zouden volgens de theorie van de Oerknal in ongeveer gelijke hoeveelheden in het heelal moeten zijn ontstaan. Als gevolg van een kleine asymmetrie zou er tijdens de annihilatie van materie en antimaterie uiteindelijk wat méér gewone materie zijn overgebleven, waardoor het heelal nu door deze soort wordt gedomineerd. Maar in afgezonderde gebieden op zeer grote afstanden zou zich misschien toch nog antimaterie schuil kunnen houden.

Die verre antimaterie zou in betrekkelijk langzaam tempo door annihilatie verdwijnen en verantwoordelijk kunnen zijn voor de vanuit satellieten waargenomen gamma-achtergrondstraling in het heelal. Maar onderzoekers van het deeltjeslaboratorium CERN in Genève en van de universiteit van Boston en Harvard laten in de Astrophysical Journal van februari zien dat de intensiteit van deze gammastraling dan vele malen groter zou moeten zijn dan nu wordt waargenomen. Het is vrijwel zeker dat er geen natuurlijke antimaterie meer bestaat.

Enkele jaren geleden heerste in de kosmologie nog grote onzekerheid over het tempo waarin het heelal uitdijt, of juister gezegd: over de mate waarin de snelheid van de expansie bij groter wordende afstand toeneemt. De uitdijing gebeurt zodanig dat hoe verder een stelsel van ons - en van een ander stelsel - vandaan staat, des te sneller het zich van ons - en van die ander - verwijdert. De constante in de formule van het lineaire verband tussen de vluchtsnelheden en afstanden van sterrenstelsels wordt de Hubble-constante genoemd (naar de Amerikaanse astronoom die hem in 1929 voor het eerst bepaalde).

De vluchtsnelheid van sterrenstelsels is relatief gemakkelijk af te leiden uit de roodverschuiving van de lijnen in hun spectrum, maar het bepalen van hun afstanden is een moeizaam, trapsgewijs proces met vele voetangels en klemmen. Het was dus niet verwonderlijk dat verschillende onderzoekers verschillende waarden voor de Hubble-constante vonden en dus tevens zeer uiteenlopende waarden voor de straal en ouderdom van het heelal: van nog geen 10 miljard (licht)jaar tot meer dan 20 miljard (licht)jaar. In sommige gevallen zou het heelal jonger moeten zijn dan de oudste sterren die het bevat!

Nieuwe afstandsbepalingen en verbeterde modellen voor de evolutie van sterren wettigen de hoop dat deze crisis in de kosmologie binnenkort voorbij is. De Hubble-constante lijkt af te stevenen op waarden tussen de 50 en 70 km per seconde per Megaparsec (1 Mpc = 3,26 miljoen lichtjaar) en de leeftijd van de oudste sterren op zo'n 10 tot 13 miljard jaar. De leeftijd van het heelal zou dan uitkomen op voor de meeste partijen aanvaardbare waarden tussen de 12 en 15 miljard jaar.

OMEGA

Het heelal is sinds zijn ontstaan uitgedijd, maar zal het dat in de toekomst ook altijd blijven doen? Dat hangt in de eerste plaats af van de hoeveelheid materie die zich in het heelal bevindt. Is de gemiddelde dichtheid van die materie (Omega) groter dan 1, dan komt de uitdijing op een bepaald moment tot stilstand en gaat hij over in een contractie die eindigt in een omgekeerde Oerknal: een Eindimplosie of Big Crunch. Het heelal is dan 'gesloten'. Is de dichtheid kleiner dan 1, dan blijft de expansie alsmaar doorgaan en noemt men het 'open'. Als de dichtheid precies 1 bedraagt, de kritische dichtheid, neemt de expansie weliswaar af maar wordt hij nooit nul: het heelal heet dan 'vlak'.

Al vele decennia weten astronomen dat zich in het heelal méér materie bevindt dan we kunnen waarnemen. Zo blijkt de massa van clusters (verzamelingen van honderden tot duizenden sterrenstelsels) vaak groter te zijn dan de som van de massa's van alle zichtbare stelsels. Dit kan men afleiden uit de snelheden die de leden van zulke clusters ten opzichte van elkaar hebben. Die snelheden zijn zo groot dat de stelsels al lang uit die clusters moesten zijn ontsnapt als er niet extra, onzichtbare materie was die hen gevangen hield.

Twee jaar geleden presenteerde een groep Europese astronomen, onder leiding van Peter Katgert van de Sterrewacht Leiden, de resultaten van een grootscheeps onderzoek aan meer dan honderd 'rijke' clusters van sterrenstelsels, verricht in het kader van de ESO Nearby Cluster Survey. Uit de massa van deze clusters leidden de onderzoekers af dat de gemiddelde dichtheid van de massa in het heelal een stuk kleiner moest zijn dan 1, dus dat het heelal altijd zal blijven uitdijen.

Ook andere, recente onderzoekingen wijzen er op dat de gemiddelde dichtheid van de materie in het heelal kleiner is dan de kritische dichtheid. Astronomen van het Max-Planck-Instituut voor Astrofysica in Garching en van de universiteit van Durham zullen binnenkort in Astronomy and Astrophysics de resultaten publiceren van hun onderzoek aan de lenswerking van clusters: het verschijnsel dat het gravitatieveld van een cluster de beeldjes van objecten er achter vervormt. Zij hebben berekend hoe dit effect zich zou ontwikkelen in heelallen met verschillende materiedichtheden en vergeleken de resultaten met wat nu aan de hemel wordt waargenomen. Het resultaat: een massadichtheid van 0,3 komt het beste met de waarnemingen overeen.

Deze geringe massadichtheid levert echter weer een probleem op dat samenhangt met de theorie over het ontstaan van het heelal. Toen het heelal nog maar 10 seconde oud was, zou het gedurende een periode van 10 seconde een onvoorstelbaar snelle, exponentiële expansie hebben doorgemaakt. Na deze korte overgangsperiode, die samenhing met het afsplitsen van de verschillende natuurkrachten van één geünificeerde (zij het nog steeds hypothetische) superkracht, zou de gewone uitdijing weer zijn loop hebben genomen.

Deze inflatiehypothese, in 1979 opgesteld door de Amerikaanse natuurkundige Alan Guth, kan verschillende kenmerken van het huidige heelal verklaren en is daardoor bijna een dogma in de kosmologie. Hij verklaart waarom het heelal er op grote schaal in alle richtingen hetzelfde uitziet (het zogeheten 'kosmologisch principe') en waarom de kosmische microgolfachtergrondstraling overal aan de hemel vrijwel dezelfde waarde heeft. Maar de theorie voorspelt tevens dat de gemiddelde dichtheid van de materie in het heelal gelijk moet zijn aan de kritische dichtheid en dat lijkt dus niet het geval te zijn.

Om dit probleem te omzeilen, zijn sommige kosmologen in de afgelopen jaren een beroep gaan doen op een andere parameter, de zogeheten kosmologische constante (Lambda). Men neemt aan dat de som van de dichtheidsparameter en de kosmologische constante gelijk is aan 1. De kosmologische constante werd in 1916 geïntroduceerd door Albert Einstein, in de tijd dat men nog meende dat het heelal statisch was. Omdat de aantrekkingskracht van de sterrenstelsels het heelal op den duur zou doen inkrimpen, postuleerde Einstein in zijn vergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie een soort afstotende kracht die deze contractie zou moeten compenseren.

Toen Edwin Hubble in 1929 ontdekte dat het heelal niet statisch is, maar uitdijt, noemde Einstein het invoeren van zo'n kosmologische constante 'de grootste blunder in mijn leven'. Maar nu er steeds meer aanwijzingen zijn dat het heelal te weinig materie bevat om de uitdijing tot stilstand te brengen, heeft men de constante weer uit de kast gehaald. Hij zou er voor kunnen zorgen dat het tekort aan aantrekkingskracht van materie wordt gecompenseerd door een soort 'relativistische veerkracht' van de lege ruimte die de materie uit elkaar lijkt te drukken - tenminste op kosmologische schaal. De aard van de energie die met deze parameter samenhangt is echter een volstrekt raadsel.

STEREXPLOSIES

In plaats van het heelal te 'wegen', kan men ook gaan kijken of er in de loop van de tijd daadwerkelijk een verandering in de expansie heeft plaatsgevonden. Hoewel al sinds de jaren vijftig naar een mogelijke vertraging van de uitdijing wordt gezocht, beschikken astronomen pas sinds kort over betrouwbare 'standaardlichtbronnen' die tot op heel grote afstanden - dus heel ver terug in de tijd - kunnen worden waargenomen. Dit zijn supernova's: de meest heftige sterexplosies die we kennen en daardoor ook de verste sterren die kunnen worden waargenomen.

Een supernova is vóór de explosie een witte dwerg, dat wil zeggen een ster waarin geen kernfusie meer plaatsvindt. Hij heeft echter een begeleider waarvan hij voortdurend waterstofgas afsnoept. Wanneer de massa van de steeds zwaarder wordende witte dwerg een bepaalde grens overschrijdt (1,4 maal de massa van de zon), begint in zijn kern opeens de fusie van koolstof op te treden. Dit gebeurt met zo'n geweld, dat de gehele ster explodeert en enorm in helderheid toeneemt. En omdat het altijd om dezelfde hoeveelheid springstof gaat, zou de totale hoeveelheid straling altijd gelijk moeten zijn.

PIEKHELDERHEID

In de praktijk blijkt de absolute piekhelderheid wat te variëren, maar daarvoor weet men nu te corrigeren. Astronomen hebben namelijk ontdekt dat hoe hoger de piekhelderheid is, des te langzamer de helderheid daarna afneemt. De vorm van de lichtkromme van een supernova is dus een maat voor de absolute piekhelderheid. Verder weten astronomen nu hoe zij correcties moeten aanbrengen voor de effecten van absorberend stof in ons melkwegstelsel en in het stelsel waarin een supernova wordt waargenomen. Die informatie wordt uit het spectrum van de exploderende ster gehaald.

Twee groepen astronomen, geleid door respectievelijk Saul Perlmutter van het Lawrence Berkeley National Laboratory en Brian Schmidt van het Australian National Observatory, gebruiken automatische technieken voor het opsporen van supernova's in verre sterrenstelsels. Tientallen gebiedjes aan de hemel, elk met duizenden sterrenstelsels, worden periodiek waargenomen en iedere ontdekte supernova wordt naderhand meerdere malen gemeten om zijn helderheidsverloop en spectrum te kunnen vastleggen. Langs deze weg kunnen tot op tien procent nauwkeurig de relatieve afstanden van deze 'staandaardkaarsen' worden berekend.

Beide groepen hebben al vele tientallen verre supernova's waargenomen, maar het analyseren van de waarnemingen vergt veel tijd. De eerste resultaten, onlangs bekend gemaakt, lijken er op te wijzen dat de expansie minder is afgenomen dan op grond van een 'vlak' heelal wordt verwacht en dat er zelfs plaats is voor een kosmologische constante. Volgens de groep van Schmidt zou de uitdijing zelfs iets kunnen zijn versneld, maar hun publicatie hierover is nog niet verschenen en Peter Katgert is daarom erg benieuwd naar de nauwkeurigheid van hun schattingen: “Je kunt natuurlijk wel zeggen dat de kosmologische constante 0,2 bedraagt, maar wanneer de fout daarin 0,5 is heb je formeel gezien nog niets gemeten”.

Inmiddels zijn nog andere methoden in ontwikkeling om mogelijke veranderingen in de expansie van het heelal af te leiden. Eén zo'n methode is gebaseerd op de schijnbare diameter van de gaswolk waarin clusters van sterrenstelsels zijn gehuld. Clusters bevatten grote hoeveelheden gas, die nog uit hun ontstaansperiode dateren. Dit gas zou op dezelfde manier als de (donkere) materie in het gravitatieveld van zo'n cluster in hydrostatisch evenwicht worden gehouden en zo een goede maat zijn voor niet alleen de totale hoeveelheid massa, maar ook voor de diameter.

Het clustergas heeft een zeer hoge temperatuur en verraadt zich daardoor via zijn röntgenstraling, waargenomen vanuit satellieten. Door nu via de röntgenstraling de schijnbare diameter van clusters te meten, kunnen hun afstanden worden afgeleid, zij het voorlopig nog met een onzekerheid van 20 procent. Ue-Li Pen, van het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, presenteerde oktober 1997 in New Astronomy zijn eerste analyses aan drie clusters. Hij vond een vertraging in de expansie die tegen een kosmologische constante zou pleiten.

Als het heelal inderdaad blijft uitdijen, zal de gemiddelde dichtheid in de toekomst blijven afnemen. Dat zou in het geval van een 'vlak' heelal moeten leiden tot het langzaam groeien van de waarde van de kosmologische constante, dus tot het langzaam sterker worden van de invloed van de hypothetische 'veerkracht' van de ruimte. De uitdijing van het heelal, die sinds het ontstaan van de kosmos ietwat is afgenomen, zou in de toekomst weer steeds sneller gaan verlopen en het heelal zou opnieuw een soort inflatieperiode doormaken, zij het op een tijdschaal van tientallen miljarden jaren in plaats van 10 seconde.

Volgens sommige astronomen zouden wij ons nu misschien in een bijzondere periode in de ontwikkeling van het heelal bevinden: op de grens tussen afremming en versnelling. Zo'n unieke situatie is echter iets wat in de wetenschap direct als zeer verdacht wordt aangemerkt en eerder als een beperking van onze waarnemingen en theorieën wordt gezien. “We moeten in gedachten houden dat wanneer het kosmologisch principe [de veronderstelling dat het heelal op grote schaal homogeen is] niet juist is, we misschien slechts de aard en toekomst van slechts één bel in een kosmische zee van champagne bestuderen”, aldus de Amerikaanse astronoom David Branch in een commentaar in Nature.

Misschien bevat het heelal toch wat meer materie dan we nu meten en hebben we bij een 'vlak' heelal geen kosmologische constante nodig. En misschien hebben we die constante niet nodig omdat we ten onrechte veronderstellen dat het heelal vlak moet zijn. Theoretici van de universiteit van Cambridge (UK) en Stanford (VS) zijn al wegen aan het zoeken om het vlakheidsprobleem te omzeilen: door de inflatietheorie zodanig om te vormen dat hij ook een open, eeuwig uitdijend heelal kan verklaren. Hun quantummechanische constructies zullen binnenkort verschijnen in Physical Review en Physics Letters B.

Wanneer astronomen supernova's hebben bestudeerd die een voldoende lange periode in ruimte en tijd overspannen, wordt het misschien mogelijk om de effecten van Omega en Lambda van elkaar te onderscheiden. Massa en kosmologische constante hebben namelijk een verschillend effect op de manier waarop de expansie in de loop van de tijd verandert. Tot het zover is, zullen astronomen echter nog wel vele keren in dezelfde fout vervallen als bij het afleiden van de Hubble-constante: het mede door ijdelheid, competitie en wishful thinking onderschatten van de foutenmarges in de eigen waarnemingen en analyses.

Terwijl het strijdperk van de kosmologie zich verplaatst van de Hubble-constante naar Omega en Lambda, zullen wij het nieuwe millennium moeten ingaan met de wetenschap dat de kosmos waarschijnlijk nooit meer zal terugkeren naar een begin. Ruimte en tijd zullen tot in alle eeuwigheid blijven voortbestaan, maar de materie daarin zal op den duur verdwijnen. Een en ander wordt uitvoerig beschreven in het boek The Last Three Minutes van de Australische fysicus Paul Davies (1994), die met deze titel een speelse verwijzing maakt naar het beroemde werk van Steven Weinberg over het ontstaan van het heelal.

Over ongeveer honderd biljoen (10) jaar zullen alle sterren zijn uitgedoofd of/en geëxplodeerd. Planetenstelsels en sterrenstelsels zullen uiteenvallen en alle stof zal zich door de uitdijende ruimte verspreiden. De temperatuur komt steeds dichter bij het absolute nulpunt. Als het proton niet stabiel is, zal alle materie na misschien 10 à 10 jaar zijn uiteengevallen in elektronen, positronen, neutrino's en fotonen. Maar ook als het proton wèl stabiel is, blijft er geen materie bestaan. Door het in de quantummechanica bekende tunneleffect wordt alles uiteindelijk toch omgezet in protonen, elektronen, neutrino's en fotonen. We zitten dan in het jaar 10 en ook dan nog tikt de tijd door en blijft het koude, donkere kerkhof van de ruimte uitdijen.

Lijst van illustraties: Foto's: 1. Deze hemelopname, gemaakt door de Hubble Space Telescope, bestrijkt een gebiedje met een diameter van bijna één vijftigste van die van de volle maan. Op de oorspronkelijke 'Hubble Deep Field'-opname zijn honderden sterrenstelsels te zien, de verste misschien op afstanden van meer dan tien miljard lichtjaar. Toen het heelal nog jong was, dijde het heelal wat sneller uit dan nu. Foto: NASA; 2. Kaart van de verdeling van de kosmische achtergrondstraling, samengesteld uit metingen van de Cosmic Background Explorer satelliet. De gelijkmatige verdeling van deze straling aan de hemel (de band door het midden is het effect van ons melkwegstelsel) is een van de belangrijkste bevestigingen van de theorie van de Oerknal. Foto: NASA; 3. Het eerste diagram van het verband tussen de vluchtsnelheid en de afstand van sterrenstelsels werd in 1929 gepubliceerd door de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble. De verste sterrenstelsels die hij had gemeten stonden niet verder dan ongeveer 6,5 miljoen lichtjaar van de aarde. Tegenwoordig worden sterrenstelsels gemeten die een slordige duizend maal zo ver weg staan; 4. Twee elektronische opnamen van een ver sterrenstelsel uit de tijd dat het heelal ruwweg half zo oud was als nu. De twee opnamen werden gemaakt in 1992 en 1997. Op de onderste is een kandidaat-supernova verschenen. Supernova's zijn thans de belangrijkste standaardlichtbronnen voor het meten van de 'afremming' van de expansie van het heelal. Foto: Lawrence Berkeley National Laboratory; 5. Schematische weergave van de verschillende mogelijkheden van de ontwikkeling van het heelal. De allerbovenste kromme toont het effect van een hypothetische kosmologische constante. Deze 'relativistische veerkracht' van de ruimte zou het heelal bij het afnemen van de gemiddelde materiedichtheid weer sneller doen uitdijen.