webmagazine van de jezuïeten over geloof, spiritualiteit en samenleving
webmagazine van de jezuïeten over geloof, spiritualiteit en samenleving
Wie naar de sterrenhemel staart, staart naar de geschiedenis van ons heelal. Wat vertelt die geschiedenis ons?
Pleni sunt coeli et terra majestatis gloriae tuae – vol zijn hemel en aarde van uw grootse heerlijkheid (uit het ‘Te Deum’, een lofzang aan God). Als de schrijver van deze regel bij ‘coeli’ aan het uitspansel heeft gedacht, dan heeft hij er waarschijnlijk weinig kennis van gehad. Het uitspansel met zon, maan en sterren is sinds mensenheugenis intrigerend geweest. In de vroeg-christelijke tijd overheerste het wereldbeeld van Ptolomaeus, waarbij de aarde het centrum van het universum was. De sterren stonden vastgeprikt aan de binnenkant van een grote bol die om de aarde draaide. Zon en maan vonden hun omloop langs deze sterrenhemel met een vast ritme. De Grieken hadden ook al een theorie voor de beweging van een aantal heldere hemellichamen, de planeten, die ingewikkelde banen volgden langs het pad van de zon.
Pas in 1543 kwam Copernicus met een uitgewerkt alternatief, waarbij de zon centraal staat. Het idee om de zon centraal te plaatsen sproot voort uit een nauwkeurige observatie van de banen van de planeten. Door ze net als de aarde om de zon te laten draaien voldeden ze aan veel eenvoudiger en natuurlijker wetten dan in de Griekse beschrijving. De baan van zon aan de hemel was nu geen beweging van de zon maar een gevolg van de rotatie van de aarde om zijn as. De baan van de maan is ook voor het grootste gedeelte een gevolg van de aardrotatie. De jaargetijden zijn een kenmerk van het draaien van de aarde om de zon.
Er kwam diepte in het uitspansel en de uitkomst was verbazingwekkend
Newton bracht al deze waarnemingen bij elkaar in een theorie waarbij de zwaartekracht de bindende kracht tussen de hemellichamen is. Hiermee kreeg de beweging van de planeten een ‘aardse’ verklaring, want de zwaartekracht tussen de hemellichamen is dezelfde als de kracht waarmee op aarde de dingen vallen. Eigenlijk is het andersom: de zwaartekracht op aarde vindt zijn verklaring als een universele kracht tussen hemellichamen. Met de theorie van Newton kan men de massa van zon en planeten berekenen zonder ze te hoeven wegen. Ons zonnestelsel was daarmee begrepen: massa’s, omloopstijden en afstanden konden worden berekend door de banen te bestuderen.
De rest, de ‘vaste’ sterren stonden onveranderlijk op hun plaats aan de hemel. Ze bewogen alleen omdat de aarde draaide. Wat het waren en hoe ver ze van ons afstonden bleef een geheim. Maar weer zorgden nauwkeurige waarnemingen met betere instrumenten voor een doorbraak. Men zag namelijk dat de ‘vaste’ sterren niet allemaal vast waren, maar jaarlijks een klein cirkeltje (ellips) doorliepen. Dat kon alleen te maken hebben met de omloop van de aarde om de zon. Daardoor zie je een ster telkens een heel klein beetje in een andere richting staan.
Dit minieme effect (parallax) is buitengewoon belangrijk gebleken. Want de grootte van de ellips is een maat voor de afstand van de ster tot de aarde. Er kwam dus diepte in het uitspansel en de uitkomst was verbazingwekkend. Men kan afstanden in kilometers uitdrukken maar dan zijn er ‘astronomische’ getallen voor nodig. Een betere maat voor de afstand is een lichtjaar: de afstand die het licht in een jaar aflegt. Zo staat de zon op zo’n acht lichtminuten van ons en als je dan bedenkt dat de dichtstbijzijnde ster op 4,5 lichtjaar staat, krijg je een gevoel hoe enorm leeg het is rond onze zon met zijn planeten. Af en toe duikt er een komeet op uit het universum om na een rondje om de zon weer in de lege ruimte te verdwijnen.
Als bekend is hoever een ster staat, kan uit de hoeveelheid uitgestraald licht de grootte (massa) van de ster bepaald worden. Het aantal sterren waarvan men de afstand kan bepalen was aanvankelijk klein, maar inmiddels is zo de afstand gemeten van alle ‘dichtbije’ sterren. Vroeger betekende dichtbij dat ze tot onze Melkweg behoren, een spiraalvormige structuur, waarvan wij in een arm nogal ver uit het centrum zitten.
De meest spectaculaire ontdekking was dat de verre sterrenstelsels met een toenemende snelheid van ons af bewegen
Nu men veel preciezer kan meten, betekent dichtbij: behorend tot de locale cluster van dertig Melkwegstelsels. Onze Melkweg vormt met de Andromeda-nevel een soort tweeling van Melkwegstelsels, die naar elkaar toe blijken te bewegen. Andromeda was vroeger slechts een wazige vlek aan de hemel, maar met betere kijkers blijkt het een prachtige spiraal te zijn net als onze Melkweg.
Eens gold de vraag uit welke elementen de zon bestaat, als een van de moeilijkste natuurkundige problemen. Maar toen men het spectrum (de kleuren) van het zonnelicht analyseerde werd meteen duidelijk dat de zon hoofdzakelijk uit helium bestaat. Nu kan men de redenering omdraaien. Als je uit het spectrum het type van de ster weet, kan je uit de lichtkracht de afstand bepalen, ook als deze ster geen parallax vertoont! Op deze manier is de structuur van het universum in kaart gebracht. Uit het spectrum kan je ook zien hoe een ster beweegt ten opzichte van de aarde. De spectraallijnen zijn door de beweging van de ster een beetje verschoven (het Doppler-effect). Dus wat aanvankelijk vaste sterren leken, zijn bewegende objecten die soms met grote snelheden door de ruimte schieten. Van nabije sterren ziet men ook in de loop der jaren hun positie langzaam veranderen.
Maar de meest spectaculaire ontdekking was dat de verre sterren(stelsels) allemaal van ons af bewegen met een snelheid die toeneemt met de afstand. Het is dus een uniform uitdijend heelal. De consequentie hiervan is dat, terugredenerend naar het verleden, de sterren dichter en dichter op elkaar stonden, tot op een moment in het verleden dat alles in één punt samenkwam, de Big Bang. Het heelal is niet statisch, maar heeft dus een geschiedenis!
Dat idee was aanvankelijk nogal speculatief, maar door twee feiten kreeg het vaste voet aan de grond. Ten eerste kan met Einsteins algemene relativiteitstheorie een kosmologisch model opgesteld worden, dat zo’n uitdijend heelal beschrijft.
De ontdekkingen over het heelal gaan hand in hand met nieuwe vragen
Maar de doorslag gaf de ontdekking van de achtergrondstraling. Uit het kosmologisch model volgt dat, op een bepaald moment na de Big Bang, de straling losgekoppeld raakte van de materie en een eigen leven ging leiden. Door de uitdijing van het heelal verschuift de piek in het spectrum van de straling van heel heet (d.w.z. korte golflengten) naar heel koud (lange golflengten). De piek ligt nu in het microgolf-gebied overeenkomende met een temperatuur van -270 graden Celsius. Deze straling was in 1946 door Dicke voorspeld en werd bij toeval ontdekt in 1965 in het Bell-laboratorium. Hiermee werd een signaal van de Big Bang waargenomen en verdween alle twijfel. De achtergrondstraling blijkt een geweldige bron aan informatie over de geschiedenis van het universum, vooral ook door de precisiemetingen van de buitenaardse satellieten.
De ontdekkingen over het heelal gaan hand in hand met nieuwe vragen. Zo blijkt uit diverse metingen dat er meer materie moet zijn dan de sterren die we zien. Er is dus ‘donkere materie’, veel meer dan de materie die we op een of andere manier waarnemen. Dat is een puzzel zowel voor kosmologen als natuurkundigen. Want de natuurkunde geeft een helder beeld van de bestaande deeltjes (het standaardmodel). Het standaardmodel heeft onlangs, met de ontdekking van het Higgs-deeltje, een sterke basis gekregen. En omdat het een afgesloten groep vormt, is er eigenlijk geen plaats meer voor donkere materie en moet men op jacht gaan naar mogelijke kandidaten. Donkere materie is iets anders dan de fameuze zwarte gaten, die ook geen licht uitstralen, maar waarvan begrepen is hoe ze uit sterren ontstaan.
In de kosmologie komen we nu terug bij ons uitgangspunt. Omdat de Big Bang 13,8 miljard jaar geleden heeft plaats gevonden, kunnen we niet verder kijken dan 13,8 miljard lichtjaar. We kunnen nu bijna zover kijken als deze grens. Hoe verder we kijken, hoe jonger de sterrenstelsels zijn die we zien. We zien die sterrenstelsels in hun periode vlak na de Big Bang. Daarmee kijken we in de geschiedenis van het heelal. Door verder te kijken zien we steeds nieuwe, dat wil zeggen jongere sterren uit ons heelal. Maar er is ook een omgekeerde beweging. De oudere verre sterren bewegen sneller dan het licht van ons af en verdwijnen dus achter onze horizon. Het heelal dat we kunnen zien strekt zich uit als een enorme bol, waarvan de horizon zich met lichtsnelheid uitbreidt. In plaats van over ‘het’ heelal spreken, kunnen we beter van ‘ons’ heelal spreken, met onszelf in het middelpunt, net wat Ptolomaeus dacht.
Door deze grandeur en diversiteit van het heelal komt vanzelf de vraag naar voren: Zijn we alleen in dit onmetelijke heelal? Zijn wij de enigen hier op deze aarde die er weet van hebben? Voor het antwoord op deze vraag, die momenteel heel erg in de belangstelling staat, moet je een heel groot getal (het aantal sterren) vermenigvuldigen met een aantal hele kleine kansen, zoals: de kans dat een ster een aarde-achtige planeet rond zich heeft draaien op de goede afstand met een flinke maan er omheen voor stabiliteit, de kans dat zo’n planeet de goede samenstelling heeft, de kans dat er op zo’n planeet leven ontstaat en de kans dat dit leven zich naar hogere dieren en tenslotte naar intelligente wezens ontwikkelt. Omdat we bijvoorbeeld nog steeds niet weten hoe leven ontstaat, zijn de ingrediënten van zo’n rekensom tamelijk onzeker. Maar zelfs als de kans dichtbij honderd procent ligt, hebben we daar wat aan?
We willen deze beschavingen natuurlijk waarnemen en ermee communiceren. Als we geluk hebben en zo’n beschaving ‘dichtbij’ is, zeg 500 lichtjaar, duurt het 1000 jaar voor we een bericht terug ontvangen. Als we de communicatietijd willen terugschroeven naar 10 jaar, zou er binnen een bol met een straal van 5 lichtjaar zo’n beschaving moeten zijn. Maar daarin bevindt zich maar één ster en dat maakt de kans erg klein! En dan moeten we ook over uitzonderlijk krachtige signalen beschikken evenals de tegenpartij, want wat wij nu van het heelal waarnemen, komt van onvoorstelbaar intense straling en verwoestende explosies zoals supernova’s. Ondanks het feit dat het aantal waargenomen planeten snel stijgt, denk ik toch dat het communiceren met buitenaardse beschavingen een illusie zal blijken. We kunnen ons beter op het leven hier op aarde richten.
Prof. Hans van Leeuwen is natuurkundige. Na verblijven aan de universiteit van Nijmegen en een aantal Amerikaanse instellingen werd hij in 1969 benoemd tot hoogleraar in Delft. In 1986 werd hij hoogleraar in de theoretische natuurkunde in Leiden en is sinds 1996 met emeritaat.