Waarneembaar heelal

Naarmate de tijd vordert wordt het waarneembaar heelal steeds groter, want licht dat van steeds verder komt, heeft dan de tijd gehad om ons te bereiken. Er zit echter een toekomstige limiet aan, een grootte die het waarneembaar heelal nooit zal kunnen overschrijden. De reden hiervan is dat de waarnemingshorizon van een waarnemer zich met de lichtsnelheid van de waarnemer verwijdert.

De expansie van het heelal stelt dat de ruimte zelf uitdijt, te vergelijken met bijvoorbeeld een ballon die wordt opgeblazen. Een gevolg hiervan is de wet van Hubble, dat alle sterrenstelsels – buiten diegene die dicht genoeg staan om door de zwaartekracht van de Melkweg aangetrokken te worden, zoals de Andromedanevel – van ons weg lijken te bewegen. Die sterrenstelsels bewegen echter niet echt van ons weg, ze liggen min of meer stil en het is de ruimte waarin ze liggen die ‘beweegt’. Bij de vergelijking met de ballon zou je kunnen zeggen dat elk sterrenstelsel een papiertje is dat op de ballon is geplakt. De papiertjes komen verder van elkaar te liggen naarmate de ballon groter wordt, maar ze bewegen zelf niet. De sterrenstelsels zelf worden ook niet groter door de uitdijing van het heelal, de zwaartekracht houdt ze bijeen.

Hoe verder weg een sterrenstelsel van de Melkweg ligt, hoe sneller het door de wet van Hubble van ons af lijkt te bewegen. Objecten die achter de waarnemingshorizon liggen, overschrijden de lichtsnelheid zodat ze niet meer waargenomen kunnen worden. Dit kan omdat ze niet zelf bewegen, maar het de ruimte is die expandeert. Licht dat van deze stelsels komt, kan ons dus nooit bereiken, omdat de afstand die de fotonen daarvoor moeten afleggen sneller toeneemt dan ze deze kunnen overbruggen.

Het zichtbaar heelal, dit wil zeggen het gedeelte van het heelal dat (in theorie) te zien is met elektromagnetische straling (waaronder licht), is kleiner dan het waarneembaar heelal. We kunnen immers pas licht zien vanaf 380 000 jaar na de oerknal, toen het universum niet langer ondoorzichtig was voor elektromagnetische straling. Dit eerste licht is de kosmische achtergrondstraling.

Volgens de huidige theorieën konden neutrino’s zich al 1 seconde na de oerknal vrijelijk door het heelal bewegen. Door middel van neutrino’s, zou men dus iets verder moeten kunnen kijken dan door middel van licht. Neutrino’s zijn echter heel moeilijk waar te nemen, omdat ze enkel de zwakke kernkracht voelen.

Over de aard van het volledige heelal bestaat tegenwoordig geen zekerheid. Als het heelal zich oneindig ver in alle richtingen uitstrekt, is het waarneembaar heelal hier op elk punt in het verleden of de toekomst slechts een deel van. Een andere mogelijkheid is dat het heelal begrensd is. Als de straal van dit begrensde heelal groter is dan de straal van het waarneembaar heelal, kan men het verschil met een oneindig heelal niet zien.

Als het waarneembaar heelal groter is dan het volledige heelal, zou men in theorie de ‘rand’ van het heelal moeten kunnen zien. Een theorie is dat, als het heelal een eindige grootte heeft, het ene uiteinde verbonden is met het andere, zodat er geen ‘rand’ is. Dit valt te vergelijken met een 2D-kaart van de Aarde: als men aan de westkant over de ‘rand’ van de wereld stapt, komt men aan de oostkant terug tevoorschijn. De Aarde, een bol, heeft dus een eindige grootte, maar geen rand. Het heelal zou dan iets gelijkaardig zijn, maar dan een dimensie hoger.

Als deze theorie zou kloppen, en het heelal zou kleiner zijn dan het waarneembaar heelal, dan zou men dezelfde sterrenstelsels recht tegenover elkaar aan beide kanten van de hemel moeten kunnen zien, waarbij het ene beeld ‘van voren’ te zien is en het andere ‘van achteren’. Men kan dit aanschouwelijker maken door eenzelfde situatie te bekijken op kamerschaal. Stel dat dit soort heelal, waarbij iets wat de ene ‘rand’ overgaat aan de andere kant terug tevoorschijn komt, de grootte van een kamer heeft. Iemand staat in deze kamer. Licht dat van zijn rug vertrekt, zal in de ‘muur’ achteraan verdwijnen en in de ‘muur’ vooraan terug tevoorschijn komen en zo de ogen van deze persoon bereiken. De mens in de kamer zal dus zijn eigen rug zien. Als er nog iets in het kamerheelal is, laten we zeggen een andere mens, dan kan de waarnemer het gezicht van die mens zien als hij de ene kant op kijkt, en de rug van die mens als hij de andere kant op kijkt.

Door te zoeken naar identieke kopieën van sterrenstelsels in tegenoverliggende richtingen, zou men dus kunnen aantonen of het heelal inderdaad begrensd en kleiner dan het waarneembaar heelal is. Het probleem is echter, dat de ‘voor-‘ en ‘achterkantbeelden’ van het sterrenstelsel misschien een heel verschillende afstand hebben moeten afleggen om tot bij ons te geraken en dus het sterrenstelsel op verschillende tijden tonen. In dat geval kan het sterrenstelsel al zodanig geëvolueerd en vervormd zijn dat men niet meer kan opmerken dat het om hetzelfde sterrenstelsel gaat. Ook zijn er bij ver weg gelegen sterrenstelsels minder details te onderscheiden en is het dus ook moeilijker om identieke kopieën te zoeken in twee richtingen.

 

Het verst weg gelegen object dat voor 16 november 2012 waargenomen was, was een sterrenstelsel dat men MACS0647-JD genoemd heeft. Het licht van dit sterrenstelsel heeft 13,3 miljard jaar moeten reizen om de Aarde te bereiken en is dus afkomstig van 420 miljoen jaar na de oerknal. Door de expansie van het universum zal dit sterrenstelsel ondertussen al veel verder liggen dan 13,3 miljard lichtjaar. MACS0647-JD werd waargenomen met de ruimtetelescoop Hubble, met behulp van een gravitationele lens, namelijk MACS J0647+7015, een cluster van sterrenstelsels. MACS0647-JD is een heel klein sterrenstelsel, slechts 600 lichtjaar in diameter (ter vergelijking: de Melkweg is 120 000 lichtjaar in diameter). Dit is waarschijnlijk omdat we dit sterrenstelsel zo vroeg na de oerknal zien. Zulke sterrenstelsels groeien later aan door samen te smelten met andere sterrenstelsels.

Dit object is in 2016 overtroffen door GN-z11 en in 2022 door JADES-GS-z13-0 met afstanden van 13,4 en 13,6 miljard lichtjaar.

• Waarnemingshorizon
• Vorm van het heelal