Slagveld heelal

Wat is de toekomst van het heelal? Op een symposium in Washington schetste fysicus Fred Adams de gedaantes die het universum op de ultralange termijn zal aannemen. Een tragedie in vijf bedrijven - met toch een sprankje hoop.

RUIM TIEN MILJARD jaar geleden begon het heelal met de oerknal. De uitdijing, die de hemel schiep zoals we die nu kennen, zal, zo blijkt uit de jongste gegevens, onverminderd doorgaan.

Waar moet dat heen? Is er toekomst voor de mens, voor de materie? Gedetailleerde berekeningen richtten zich tot nu toe vooral op het verleden en wie de huidige kosmos overziet heeft een goed beeld van hoe het allemaal zo heeft kunnen komen. Maar over de afloop – zo die er al is – is de mens veel minder zeker. Nu de uitdijing zelfs in versterkte mate doorzet en de eindkrak als einde der tijden lijkt afgewend, rijst de vraag welke verrassingen de verre toekomst in petto heeft.

Eind 1995 zette Fred Adams, hoogleraar natuurkunde in Michigan, zich samen met Greg Laughlin aan de taak hier helderheid in te brengen. Uitgaande van nieuwe fysische en astronomische inzichten liet het tweetal een computer de toekomst uitrekenen, en waar collega's het voor gezien hielden lieten zij het apparaat gewoon aan staan, tot het heelal meer dan tienduizend triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen triljoen jaar oud was. Om zo'n reuzengetal hanteerbaar te maken – alleen al een triljoen gelijk is aan 1.000.000.000.000.000.000 - werken astronomen met het begrip kosmologische decade. Tien miljard jaar na de oerknal – bij benadering het heden – leven we in kosmologische decade 10 (D=10) omdat het om een getal van tien nullen gaat. In geval van de absurde ouderdom van daarnet zitten we voorbij kosmologische decade 150. En de zeer prille leeftijd van eenhonderdste jaar (0,01) betekent in deze definitie dat het heelal in kosmologische decade -2 zit.

Verrassende uitkomst van het taaie rekenwerk in Michigan: in zijn ultralange bestaan wisselt het heelal meermalen van gedaante. In een lezing op de jaarbijeenkomst van de American Associaton for the Advancement of Science, vorige maand in Washington, gaf Adams tekst en uitleg. Ook schreef hij samen met Laughlin een boek: The Five Ages of the Universe. Wat volgt is een kosmisch schouwspel in vijf bedrijven, met in de hoofdrol een tragische zwaartekracht die continu oorlog voert met de universele neiging tot wanorde – tot de nederlaag een feit is.

EERSTE BEDRIJF de oerfase (-50<D<5) waarin een explosie het heelal in leven roept en de kosmische evolutie start

Direct na de oerknal, ruim tien miljard jaar geleden, was het heelal zeer klein en zeer heet. Verzengende straling maakte de dienst uit en materie in de vorm die wij nu kennen was onmogelijk. In een gloeiende oersoep (onlangs nog nagebootst in een krachtige deeltjesversneller in Genève) schoten losse quarks onstuimig in het rond, wachtend op betere tijden.

De eerste gebeurtenis van formaat vond plaats rond een triljoenste van een triljoenste seconde na de big bang (D=-40 of daaromtrent). In een felle, kortstondige expansie zwol het heelal zo krachtig dat – om een menselijke maat aan te houden – kiezelstenen in een flits de omvang kregen van het huidige heelal. Motor van deze kosmische inflatie was de aanwezige vacuüm-energie. Aldus vormde zich een universum waarin oneffenheden uit de oertijd waren gladgestreken en inderdaad ziet het heelal op grote schaal in alle richtingen er zo goed als hetzelfde uit.

Toen het heelal een microseconde oud was, was het zover afgekoeld dat de aanwezige quarks en anti-quarks de kans kregen elkaar te vernietigen. Wanneer materie en antimaterie samenkomen rest niets dan straling. Waren beide soorten quarks even talrijk geweest, dan zou dat het einde van de materie hebben betekend, maar een complexe speling van de natuurwetten had quarks lichtelijk bevoordeeld: op iedere dertig miljoen antiquarks telde de oersoep één quark extra. Na de wederzijdse uitroeiing resteerde een minieme fractie van de materie. Uit dat overschot zijn de sterrenstelsels en ook de mens voortgekomen.

Maar eerst moesten de quarks tot protonen en neutronen stollen, de bouwstenen van de materie. Dit proces was na 30 microseconden voltooid, op een moment dat de straling nog altijd de overhand had. Na een seconde was het uitdijende heelal zover afgekoeld dat uit protonen en neutronen zich lichte elementen als helium en lithium konden vormen, een proces dat na drie minuten tot staan kwam – het leeuwendeel van het helium dat we vandaag de dag zien stamt uit die periode. Zwaardere ontstonden pas veel later in de sterren.

Overigens maken protonen en neutronen maar 8 procent van de materie uit, de rest is geheimzinnige donkere materie. Die heeft nauwelijks interacties met gewone materie en is dus buitengewoon lastig aan te tonen. Deze materie zal in een latere fase van het heelal niettemin nog een hoofdrol gaan spelen. De oerfase eindigt na 300.000 jaar, wanneer de afkoeling zo ver is voortgeschreden dat de straling en de materie in het heelal ontkoppeld raken. De mist trekt op en opeens oogt het heelal helder als glas.

TWEEDE BEDRIJF het tijdperk van de sterren (5≤D<15) waarin sterren worden geboren, het universum van energie voorzien en in een spectaculair vuurwerk ten onder gaan of doven als een nachtkaars

Na de ontkoppeling van straling en materie neemt de zwaartekracht zijn kans waar. In het het heelal trekken gaswolken zich samen, waarbij de aanvankelijk zwakke rotatie allengs sterker wordt, op dezelfde manier als een schaatser de pirouette versnelt door zich klein te maken. Wanneer het heelal een paar miljoen jaar oud is, verschijnt de eerste generatie sterren. De rotatie leidt tot platte spiralen: sterrenstelsels met in het centrum een superzwaar zwart gat (een object met zo'n sterke zwaartekracht dat zelfs geen licht kan ontsnappen) met een massa die soms miljarden keren zo groot is als onze huidige zon. In een vernietigende draaikolk trekt dit zwarte gat naburige sterren aan flarden en creëert het een accretieschijf met heet gas dat kolossale hoeveelheden straling het heelal inslingert: een quasar, een van de helderste objecten die we kennen. Sterrenstelsels organiseren zich in clusters en clusters vormen superclusters. De zwaartekracht viert hoogtij en de orde groeit.

Op dit moment zitten we pas aan het begin van het sterrentijdperk. Overal aan de hemel branden sterren op fusie-energie: in hun binnenste smelten lichte kernen samen tot zwaardere. Hun afmetingen zijn beperkt. Een ster honderd keer zo zwaar als de zon is onstabiel en vernietigt zichzelf; een ster die minder dan 8 procent van de zonsmassa bezit komt niet tot ontsteking en blijft een bruine dwerg. Zware sterren zijn veel sneller op dan lichte en op het eind van hun leven, zo'n tien miljoen jaar oud, vlammen ze spectaculair op als supernova. Daarbij storten de sterkernen onder het geweld van de zwaartekracht ineen, soms tot een zwart gat, en worden buitenlagen het heelal ingeslingerd. De veel talrijkere lichte sterren, rode dwergen genoemd, gaan zeer efficiënt met hun waterstof om en houden het wel tien triljoen jaar vol.

Onze zon is een relatief zware ster en heeft nog zo'n zes miljard jaar voor de boeg. Dan zwelt hij tot rode reus, slokt Mercurius op, verschroeit de aarde en eindigt als witte dwerg. Intussen worden elders uit gaswolken nieuwe sterren geboren. Het sterrestelsel waar de zon deel van uit maakt, de Melkweg, telt zo'n honderd miljard sterren, het heelal als geheel telt zo'n dertig miljard sterrenstelsels. Maar ijl blijft het: in verhouding gaat het om zandkorrels op kilometers afstand van elkaar. Na zo'n 100 triljoen jaar (D=14), wanneer de gaswolken uitgeput raken, de stervorming stokt en de laatste rode dwergen doven, is het gedaan met het sterrentijdperk. Een nieuwe metamorfose staat voor de deur.

DERDE BEDRIJF het ontaarde tijdperk (15≤D<40) waarin dode sterren donkere materie invangen, met elkaar botsen en verstrooid raken over de lege ruimte, om uiteindelijk te vervallen tot er niets resteert

Wanneer bij de laatste sterren het licht uitgaat en kosmologische decade 15 aanbreekt, zit de meeste massa van het heelal opgesloten in restanten: bruine dwergen, witte dwergen, neutronensterren en zwarte gaten. Het gaat hier om ontaarde materie, wat in dit geval geen moreel oordeel inhoudt maar betekent dat de dichtheid zo hoog is opgelopen dat alleen de quantumtheorie een adequate beschrijving kan geven. Bruine dwergen, mislukte sterren die te licht waren om de kernfusie in gang te zetten, bewaren de resterende waterstof in het heelal. Iets talrijker zijn de witte dwergen, overblijfselen van niet al te zware sterren die zwakjes nagloeien en nog maar iets groter zijn dan de aarde. Nog veel compacter zijn de wat zeldzamere neutronensterren, daar past in een suikerklontje de massa van een miljard olifanten. En een op de paar duizend sterren is zo zwaar dat de zwaartekracht de resterende neutronenster verder ineen doet storten tot een zwart gat.

Hoe nu verder? Allereerst is het nuttig te bedenken dat wie de tijd heeft van alles kan verwachten. Wat nu nog achterwege blijft, eenvoudig omdat het te onwaarschijnlijk is, gebeurt alsnog als je lang genoeg wacht. En dus zullen objecten in het ontaarde universum vlak langs elkaar scheren of zelfs botsen, het laatste eens in de paar honderd miljard jaar. Wanneer twee bruine dwergen pardoes op elkaar knallen kan opeens wèl een levensvatbare ster ontstaan. In een stelsel als de Melkweg staan er altijd wel een paar van zulke lichtbakens aan. En zodra twee witte dwergen elkaar treffen kan dat een supernova-explosie opleveren.

Intussen zijn de buitenmantels van de ontaarde sterrenstelsels nog altijd bevolkt met donkere materie. Zoals eerder opgemerkt hebben die nauwelijks wisselwerking met de materie, maar op de ultralange termijn zal dat er toch van komen. Een belangrijke kandidaat voor donkere materie zijn WIMPs (weakly interacting massive particles). Wanneer een WIMP een witte dwerg treft kan hij via de zwaartekracht gebonden raken. Zodra zich in de witte dwerg voldoende WIMPs hebben verzameld, nemen ze de kans waar elkaar te vernietigen. Dat levert energie op waarmee de witte dwerg de ergste kou buiten de deur weet te houden.

Omstreeks kosmologische decade 30, duizend miljard miljard miljard jaar na de oerknal, raakt de donkere materie uitgeput en koersen de witte dwergen alsnog af op het absolute nulpunt. Tot overmaat van ramp blijkt het proton zoals de zaken er nu theoretisch voor staan niet stabiel. Na kosmologische decade 37 vervallen ze in positronen (positieve elektronen) en elektromagnetische straling. Protonverval levert een pietsje energie op, voor een witte dwerg bij elkaar 400 watt, de sterkte van een paar gloeilampen. In enkele kosmologische decaden is het afgelopen met de bruine en witte dwergen, met wat er nog aan planeten rondzwerft, met de neutronensterren en met wat er in het heelal resteert aan gas. Alles verkruimelt – uitgezonderd de zwarte gaten.

VIERDE BEDRIJF het tijdperk van de zwarte gaten (40≤D<100) waarin zwarte gaten heersen in het heelal, de tijdruimte vervormen maar op termijn alsnog verdampen en met een explosie van het toneel verdwijnen

En zo behalen de zwarte gaten, zonder er iets voor te hoeven doen, de alleenheerschappij over het heelal. Niet dat ze al die tijd stil hebben gezeten: heel wat materie en straling die op hun weg kwam is verzwolgen.

Zwarte gaten zijn er in drie maten. Het bekendste type ontstaat als eindproduct in de levensloop van een zware ster. Superzware zwarte gaten houden zich op in het centrum van een sterrenstelsel en zijn soms miljarden zonsmassa's groot. Speculatiever zijn de minuscule zwarte gaten, daterend van kort na de oerknal. Zwarte gaten hebben om zich heen een waarnemingshorizon: wie die passeert laat iedere hoop varen en kan niet meer terug. Voor een gewoon zwart gat, zoals Cygnus X-1 in onze directe omgeving, ligt die horizon op dertig kilometer van het centrum. De eigenschappen van zwarte gaten worden volledig bepaald door hun massa, lading en rotatie. Hoe ze ontstaan zijn doet er niet toe, het verleden ligt immers begraven achter de waarnemingshorizon.

Toch hebben ook zwarte gaten niet het eeuwige leven. In 1974 ontdekte Stephen Hawking dat ze niet perfect zwart zijn maar in zeer bescheiden mate warmte uitstralen – een subtiel quantumeffect. Omdat warmte een vorm is van energie, en energie volgens Einstein equivalent is met massa, betekent dit dat er beetje bij beetje massa uit het zwarte gat weglekt: hij verdampt. Hawking-straling bestaat voornamelijk uit lichtdeeltjes en neutrino's. Hoe groter het zwarte gat, hoe kouder hij is en hoe minder hij straalt. Om de gedachten te bepalen: een zwart gat met de massa van de zon heeft een temperatuur die nog geen miljoenste graad boven het absolute nulpunt ligt. Omdat het universum ten tijde van het zwarte gaten-tijdperk zover is uitgedijd dat de zee van achtergrondstraling die resteert van de oerknal nog kouder is, loopt er meer warmte weg uit het zwarte gat dan er van buitenaf instroomt, zodat netto de zaak verdampt.

Het einde van een zwart gat is een dramatisch tafereel. Tijdens de laatste seconden, wanneer het tempo van de verdamping fors oploopt, zendt hij een verblindend licht uit. De finale explosie, waarbij een miljoen kilo materie in straling en deeltjes wordt omgezet, heeft een kracht van een miljard Hiroshima-bommen. Ontploffende zwarte gaten zijn de enige lichtpuntjes in een overigens koud, leeg en doods heelal.

Het kost een zwart gat met de massa van de zon – afhankelijk van de expansiesnelheid van het heelal – zo'n 65 kosmologische decaden om volledig te verdampen. Een superzwaar zwart gat van honderd miljard zonsmassa's, eentje die een compleet sterrenstelsel heeft opgeslokt en met recht de kroon op de zwaartekracht mag heten, is na ongeveer 98 decaden op. Zodra het laatste zwarte gat met spetterend vuurwerk is verdampt heeft de zwaartekracht de oorlog met de wanorde definitief verloren. Wat resteert is buitengewoon laag-energetische straling, elektronen, positronen, neutrino's en andere elementaire deeltjes. De chaos regeert.

VIJFDE BEDRIJF het donkere tijdperk (D≥100) waarin het zieltogende heelal vecht tegen de warmtedood en hoopt op een quantum-fase-overgang naar een nieuwe wereld

Na de ondergang van de zwarte gaten biedt het heelal een desolate, treurige aanblik. Het stevent af op de warmtedood: een situatie met een uniforme temperatuur vlak boven het absolute nulpunt die ieder interessant fenomeen uitsluit. Overheersend zijn de elektronen en positronen, die – uitgaande van een versneld uitdijend heelal – per stuk een volume innemen dat niet meer te bevatten is: 10 (een getal met 194 nullen) keer zo groot als de omvang van het huidige heelal. Niettemin vormen zich paren: positronium-atomen met een straal van triljoenen lichtjaren. Wanneer die elkaar om en nabij kosmologische decade 145 alsnog vernietigen, zijn er altijd exotischer deeltjes die hun rol overnemen. Zo sterft het heelal een eeuwige dood.

Toch is daarmee het laatste woord niet gezegd. De kans bestaat dat het heelal een substantiële hoeveelheid vacuümenergie bezit en dus instabiel is. Het is mogelijk dat zich plotseling een faseovergang voltrekt naar een heelal met minder vacuümenergie. De kiem voor die ultieme metamorfose kan overal in het heelal opduiken, waarna de bel zich razendsnel uitbreidt. Binnen die bel verrijst een nieuwe wereld, met andere natuurwetten dan welke we nu kennen, een wereld vol intrigerende mogelijkheden.

Zo eindigt de tragedie van de zwaartekracht op de valreep met een sprankje hoop.

Fred Adams en Greg Laughlin: The Five Ages of the Universe. The Free Press, 251 blz., ISBN 0 684 85422 8. Prijs: $25,-.