Het is vermoedelijk de meest gestelde vraag aan de redactie van New Scientist: hoe kunnen we sterren en sterrenstelsels zien die tientallen miljarden lichtjaren bij ons vandaan staan? Vanwege de lichtsnelheid kan sterlicht sinds de oerknal immers pas 13,8 miljard lichtjaar hebben afgelegd. De verklaring schuilt in de uitdijing van het heelal.
Dankzij de James Webb-ruimtetelescoop kijken we verder het heelal in dan ooit tevoren. Met de telescoop hebben astronomen al diverse sterrenstelsels gevonden die meedingen naar het record van ‘verste object ooit’. Die stelsels bevinden zich op ruim 30 miljard lichtjaar afstand van de aarde.
Daarnaast vonden astronomen onlangs restanten van de allereerste sterren in het heelal. Die bevinden zich op bijna 25 miljard lichtjaar afstand. En vorig jaar werd op meer dan 27 miljard lichtjaar afstand de verste individuele ster ooit aangetroffen.
‘Als we iets buitenaards ontmoeten, dan is het een machine’
Oude sterren en pril leven – dat zijn de onderwerpen waar het hart van sterrenkundige Leen Decin harder van gaat kloppen.
Het heelal bestaat pas 13,8 miljard jaar. Dat wekt bij velen de vraag op: hoe kunnen we het licht zien van objecten die op meer dan 13,8 miljard lichtjaar afstand staan?
Deze vraag komt voort uit het feit dat niets sneller kan bewegen dan het licht – een van de pijlers van Einsteins relativiteitstheorie. Maar er is één ding dat zich niet hoeft te houden aan deze kosmische maximumsnelheid, en dat verklaart de extreem verre waarnemingen.
Terug in de tijd
Hoe verder je het heelal in kijkt, hoe verder je terugkijkt in de tijd. Zo staat Proxima Centauri, na de zon de dichtstbijzijnde ster, 4,2 lichtjaar bij ons vandaan. Een lichtjaar is de afstand die licht in een jaar aflegt. Het sterlicht van Proxima Centauri heeft dus 4,2 jaar nodig om de aarde te bereiken. Deze ster zie je daarom zoals hij er ruim vier jaar geleden uitzag.
De eerste sterren en sterrenstelsels ontstonden een paar honderd miljoen jaar na de oerknal, oftewel zo’n 13,5 miljard jaar geleden. Zelfs het oudste sterlicht kan dus niet meer dan 13,5 miljard lichtjaar hebben afgelegd. Toch zien we objecten die ruim twee keer zo ver weg staan. Hoe kan dat?
Krentenbrood
De verklaring schuilt in de uitdijing van het heelal. Al sinds de oerknal is het heelal razendsnel aan het groeien. Daardoor schuift alles uit elkaar. Sterrenstelsels die nu op 30 miljard lichtjaar van de aarde staan, stonden vroeger veel dichterbij. Daarom hoefde het licht van die stelsels geen 30 miljard lichtjaar te overbruggen om hier te komen.
Je kunt het heelal zien als een krentenbrood in de oven. Het brood is de ruimte, de krenten zijn de sterrenstelsels. Doordat het brood rijst, komen de krenten steeds verder uit elkaar te staan.
Stel dat een mier (die zeer goed tegen ovenwarmte kan) van de ene naar de andere krent kruipt. Wanneer hij vertrekt, liggen de krenten 1 centimeter uit elkaar. Doordat het rijzende brood ondertussen de krenten uit elkaar duwt, moet de mier 2 centimeter reizen om bij de andere krent te komen. Zodra hij daar aankomt, liggen de krenten 3 centimeter uit elkaar.
De mier is dan afkomstig van een krent van 3 centimeter verderop, maar heeft slechts 2 centimeter afgelegd. Net zo staan de verste sterrenstelsels die we zien op meer dan 30 miljard lichtjaar afstand, maar heeft het licht van die stelsels op weg naar de aarde slechts 13,5 miljard lichtjaar overbrugd.
Waarneembare universum
Dankzij de uitdijing kunnen we in theorie zelfs nog veel verder het heelal in kijken. De maximale afstand die een lichtstraal of een ander signaal sinds de oerknal kan hebben afgelegd, is zo’n 46,5 miljard lichtjaar. In dat kader spreken astronomen ook wel van het ‘waarneembare universum’. Dat is het deel van het heelal dat we direct kunnen meten. Het is een bolvormig gebied met een diameter van 93 miljard lichtjaar. Het leuke aan dit universum: de aarde staat wel precies in het middelpunt.
Als we zeggen dat een object 30 miljard lichtjaar bij ons vandaan staat, betekent dat dus het volgende: als het heelal opeens zou stoppen met uitdijen, zou een lichtstraal die nu vertrekt er 30 miljard jaar over doen om van het object bij ons te komen.
Illusie van beweging
Toch is dit niet het hele verhaal. Want in werkelijkheid zouden we zo’n nu vertrekkende lichtstraal nooit kunnen zien. Hoe verder twee objecten uit elkaar staan, hoe harder ze door de uitdijing van de ruimte uiteenbewegen. Als de onderlinge afstand zeer groot is – meer dan zo’n 14 miljard lichtjaar – vliegen ze zelfs sneller dan het licht bij elkaar vandaan. Is dat dan niet in strijd met Einsteins relativiteitstheorie?
Nee, want kosmologisch gezien bewegen zulke objecten niet eens. Het is de ruimte ertussen die al uitdijend de illusie van beweging opwekt. Twee ver uiteengelegen sterrenstelsels lijken dus sneller dan het licht bij elkaar vandaan te jakkeren, maar in feite doen ze helemaal niets – net als de krenten in het rijzende brood.
Het enige wat sneller dan het licht gaat, is de uitdijing van het heelal zelf. Maar daar heeft Einstein geen moeite mee. De relativiteitstheorie legt geen restricties op aan de snelheid waarmee de ruimte groeit – alleen aan de snelheid van objecten binnen die ruimte.
De ‘uitzondering’ op de regel van de lichtsnelheid is dus het heelal zelf. Dat kan onbekommerd groeien zonder zich aan de kosmische maximumsnelheid te houden.
