Naar de content

Het einde van het heelal

Ruimtelijk inzicht: is het universum oneindig groot?

NASA, ESA, CSA, Ivo Labbe (Swinburne), Rachel Bezanson (University of Pittsburgh)

Astronomen nemen aan dat het heelal oneindig groot is. Helemaal zeker weten doen ze het echter niet. Het is namelijk niet bekend tot hoe ver de ruimte buiten de waarnemingsgrens doorgaat.

‘Er bestaan twee dingen die oneindig groot zijn: het universum en de menselijke domheid. Maar van het universum weet ik het nog niet helemaal zeker.’ Dit is een van de vele citaten die ten onrechte worden toegeschreven aan Albert Einstein. Maar van wie de uitspraak ook is, het tweede deel klopt in elk geval als een bus. Want astronomen weten niet helemaal zeker of het heelal wel oneindig groot is.

“Het is in elk geval ontzettend groot”, zegt kosmoloog Rien van de Weijgaert van de Rijksuniversiteit Groningen. “En daarmee bedoel ik dat het heel veel groter is dan het waarneembare heelal.”

Middelpunt

Astronomen maken namelijk onderscheid tussen twee heelallen: het waarneembare heelal en het volledige heelal. Het waarneembare heelal is het deel van het universum dat we in theorie kunnen waarnemen. Je kunt het zien als een enorme bol, met ons in het middelpunt.

Alles buiten die bol ligt zo ver weg dat straling uit die gebieden ons nog niet heeft kunnen bereiken. Die straling heeft sinds de oerknal domweg te weinig tijd gehad om de enorme afstand naar ons af te leggen. Zelfs met de allerbest denkbare telescoop zouden we die gebieden dus onmogelijk kunnen bestuderen.

Er is geen enkele aanwijzing dat het heelal een bepaalde afmeting heeft

Het waarneembare heelal heeft een straal van zo’n 43 miljard lichtjaar. Dat is misschien groter dan je verwacht, aangezien het heelal nog ‘maar’ 13,8 miljard jaar oud is. Dankzij de uitdijing van de ruimte kunnen we toch een heel stuk verder kijken dan de 13,8 miljard lichtjaar die straling sinds de oerknal kan hebben afgelegd. Maar wat er voorbij die 43 miljard lichtjaar gebeurt, is per definitie giswerk.

Donut

En dus weten we ook niet hoe ver het heelal nog buiten de waarnemingsgrens doorgaat. Toch zijn er wel aanwijzingen dat het nergens ophoudt. Of, beter gezegd: er zijn geen aanwijzingen dat het wel ergens ophoudt.

Als het heelal een eindige afmeting heeft, moet het namelijk ook een bepaalde vorm hebben. Die vorm valt het best te omschrijven als een driedimensionaal donutoppervlak (zie het kader ‘Vouw je eigen heelal van papier). Maak je vooral niet te druk over hoe dat eruitziet. Het gaat erom dát het heelal een vorm heeft.

Vouw je eigen heelal van papier

De vorm van het heelal is lastig voor te stellen, omdat de ruimte driedimensionaal is, maar ook vlak. Dat wil zeggen dat je afstanden kunt berekenen met de standaard wiskundewetten, zoals de stelling van Pythagoras.

Het wordt wat makkelijker als we in gedachten een dimensie weghalen. Je kunt je een vlak heelal dan voorstellen als een plat vel papier. Als het heelal oneindig is, strekt het papier zich eindeloos in alle richtingen uit. Als het heelal eindig is, heeft het papier wel een bepaalde grootte.

Een vel papier heeft alleen vier duidelijke grenzen: plekken waar het opeens ophoudt. Het heelal heeft zulke plekken niet, ook niet als het eindig is. We moeten het papier dus zodanig vervormen dat de grenzen verdwijnen. Breng daarvoor in gedachten (of in het echt) de lange zijden van het papier naar elkaar toe, zodat je een koker krijgt. Breng dan ook de open uiteinden naar elkaar toe. Je papier heeft dan de vorm van een donut.

Een eindig, vlak 2D-heelal heeft dus de vorm van het oppervlak van een donut. Net zo heeft ons vlakke 3D-heelal, als het eindig is, de vorm van een soort 3D-donutoppervlak. Let wel: dat is niet hetzelfde als de vorm van een hele donut, inclusief de binnenkant en het kenmerkende gat in het midden. Het gaat echt om alleen het donutoppervlak, maar dan in drie dimensies – een vorm die helaas letterlijk onvoorstelbaar is.

Dat betekent dat straling in een eindig heelal over grote afstanden niet in een rechte lijn vliegt, maar deze 3D-donutvorm volgt. Daardoor zou je bepaalde patronen in straling kunnen zien die de vorm van het heelal verraden – een beetje zoals een vleermuis uit terugkaatsende geluidsgolven afleidt wat de vorm van een grot is. Als het heelal inderdaad zo’n vorm heeft, dan moet het ook wel eindig zijn. “Die handtekening van de vorm van het heelal zou je in straling moeten waarnemen. Je zou letterlijk ringen aan de hemel zien die wijzen op een eindige grootte”, zegt Van de Weijgaert.

Onvoorstelbaar

Naar zulke ringen is ook gezocht, vertelt hij. “In 2003 beweerden onderzoekers zelfs dat ze patronen hadden gezien die wijzen op straling die aan de ene kant het heelal uit gaat en er aan de andere kant weer in komt.” Die claim bleek echter onjuist. “Naderhand zijn de metingen en analyses verbeterd. Er is nu geen enkele aanwijzing dat het heelal een bepaalde afmeting heeft.”

Dit gebrek aan bewijs heeft ons wel een ondergrens opgeleverd voor de omvang van het heelal. “Als het eindig is, dan is het ontzettend veel groter dan het waarneembare heelal. Dan praat je echt over miljoenen tot miljarden malen groter – ongelooflijk veel groter dan wat we ons kunnen voorstellen”, zegt Van de Weijgaert. “Een gemiddelde kosmoloog neemt dan voor het gemak aan dat het heelal oneindig groot is. Maar dat is dus niet zomaar uit de duim gezogen. Men heeft echt gezocht naar bewijs voor een eindige afmeting en niets gevonden. Alles wijst erop dat het heelal minstens heel erg groot is, zo niet oneindig.”

Serie: Ruimtelijk inzicht
Huidige publicatie