Dat we tientallen miljarden lichtjaren ver het heelal in kunnen kijken, komt door de uitdijing van het heelal. Maar hoe snel gaat die uitdijing precies?
In een vorig artikel behandelde ik de veelvoorkomende lezersvraag hoe we sterrenstelsels kunnen zien die zich op meer dan 13,8 miljard lichtjaar afstand bevinden. De verklaring daarvoor zit in de uitdijing van het heelal.
Dit artikel wierp onder sommige lezers de vraag op: hoe snel gaat die uitdijing dan precies? Sneller dan het licht?
Thomas Hertog werkte samen met Stephen Hawking en onderzoekt de oerknal
Tijd en natuurwetten zijn voortgekomen uit de oerknal, in een chaotisch proces van toevalligheden, zegt theoretisch natuurkun ...
Geen ultraruimte
De uitdijingssnelheid van het heelal is moeilijk in een getal te vatten. Gewoonlijk bepaal je de snelheid van een object door te kijken hoeveel afstand het in een bepaalde tijd door de ruimte aflegt. Maar nu heb je het over de groeisnelheid van de ruimte zélf.
Het is alsof je te maken hebt met een groeiende liniaal. Als je wilt weten hoeveel groter die na een uur is geworden, heb je een tweede liniaal nodig die wel even groot is gebleven. Of een soort opperliniaal: als je bijvoorbeeld de groeisnelheid van een rijzend krentenbrood wilt weten, dan kun je de afmetingen van het brood vergelijken met die van de oven eromheen.
Er is alleen (voor zover we weten) geen tweede heelal, en ook geen ultraruimte waarbinnen onze ruimte zich bevindt. De ruimte dijt op zichzelf uit; dat doet ze niet ten opzichte van iets anders.
Roodverschuiving
Om de uitdijingssnelheid alsnog in cijfers weer te geven, nemen kosmologen het huidige heelal als uitgangspunt. Ze maken als het ware een foto van de liniaal zoals die nu is, en meten de groeisnelheid van de liniaal vervolgens af aan die foto.
Maar hoe meet je dan de uitdijingssnelheid van het heelal? Je kunt moeilijk een miljoen jaar wachten tot het merkbaar groter is geworden.
Daarvoor hebben kosmologen een truc. Ze bepalen hoezeer het licht van verre sterrenstelsels naar het rode deel van het spectrum is verschoven. Deze roodverschuiving is een maat voor hoe hard de stelsels bij ons vandaan bewegen – net zoals je aan de toonhoogte van de sirene kunt horen hoe hard een ambulance bij je vandaan rijdt.
Hubbleconstante
Als je veel van die verre sterrenstelsels meet, vind je een verband: hoe verder het stelsel, hoe harder het bij ons vandaan beweegt. Daaruit volgt een getal dat de huidige uitdijingssnelheid van het heelal weergeeft, de zogeheten hubbleconstante.
Dit getal kun je uitdrukken als een percentage dat aangeeft hoe snel twee plekken in het heelal uit elkaar bewegen, in verhouding tot de afstand ertussen. Momenteel bedraagt de hubbleconstante zo’n 7 procent per miljard jaar.
Aan de hand daarvan kun je uitrekenen hoe snel bepaalde sterrenstelsels uit elkaar bewegen. Een paar voorbeelden:
- De Melkweg en ons buurstelsel Andromeda bevinden zich zo’n 2,5 miljoen lichtjaar bij elkaar vandaan. Op deze afstand is de uitdijingssnelheid ongeveer 200.000 lichtjaar per miljard jaar – 0,02 procent van de lichtsnelheid. In werkelijkheid bewegen deze stelsels echter niet uit elkaar, maar naar elkaar toe: op deze relatief korte afstand is de zwaartekracht sterker dan de uitdijing van het heelal.
- Twee stelsels die zich 14 miljard lichtjaar uit elkaar bevinden, bewegen door de uitdijing van het heelal met zo’n 980 miljoen lichtjaar per miljard jaar uit elkaar – 98 procent van de lichtsnelheid.
- Twee stelsels die op zo’n 30 miljard lichtjaar afstand uit elkaar staan – bijvoorbeeld de Melkweg en het verste sterrenstelsel dat we nu kunnen zien – bewegen met 210 procent van de lichtsnelheid bij elkaar vandaan. Op deze schaal kun je dus zeggen dat het heelal ruim twee keer zo hard als de lichtsnelheid uitdijt. Zoals in het vorige artikel uitgelegd, is dit niet in strijd met Einsteins relativiteitstheorie.
Hubblespanning
Wat dit soort berekeningen nog ingewikkelder maakt, is dat de uitdijingssnelheid van het heelal niet constant is. In de jaren negentig bleek uit Nobelprijswinnende waarnemingen aan verre supernova-explosies dat het universum steeds sneller groeit. De hubbleconstante is dus in feite niet constant. Dat wil zeggen: niet constant in de tijd. Kosmologen nemen aan dat de groeisnelheid wel op elke plek in het heelal hetzelfde is.
En dan is er ook nog eens discussie over de exacte grootte van die versnelde groei. Verschillende meetmethoden leveren verschillende waarden op. Deze discrepantie staat bekend als de hubblespanning, en is momenteel een van de grootste onopgeloste raadsels in de kosmologie. Hopelijk kan de onlangs gelanceerde ruimtetelescoop Euclid dit mysterie helpen ophelderen.
Meebewegende coördinaten
Om moeilijkheden rond de uitdijing van het heelal te omzeilen, gebruiken kosmologen weleens meebewegende coördinaten (comoving coordinates). Dat is een systeem van coördinaten waarin de uitdijing is meegenomen. Het is dan alsof je een liniaal hebt die even hard groeit als het universum. Waar twee ver uiteengelegen sterrenstelsels in gewone coördinaten sneller dan het licht bij elkaar vandaan bewegen, blijven ze in meebewegende coördinaten allebei gewoon op hun plek.
In dit systeem is het volledige heelal altijd even groot – of het nu wel of niet oneindig is. De grootte van het waarneembare universum komt voortdurend overeen met de leeftijd. Het heelal is momenteel 13,8 miljard jaar oud, dus heeft het waarneembare universum in meebewegende coördinaten een straal van 13,8 miljard lichtjaar.
