De donker dagen na kerst (2)

In mijn vorige verhaaltje bleek dat het beeld van een oneindig groot, statisch heelal niet klopt met een misschien wel de meest eenvoudige waarneming: dat de hemel tussen de sterren zwart is. Dit staat bekend als de paradox van Olbers.


Nu zijn sterrenkundigen ook maar gewoon mensen, dus toen Olbers in 1820 met deze paradox de sokkel onder de bestaande ideeën vandaan veegde was de eerste reactie: ontkenning. Allerlei verklaringen werden bedacht waarom de hemel toch donker kon zijn terwijl het heelal oneindig bleef. De meest interessante was die van de Engelse Lord Kelvin: hij wees er op dat er grote donkere wolken in het heelal ontdekt waren. Als het heelal voornamelijk gevuld was met die donkere wolken, zo redeneerde hij, kan je niet oneindig ver weg kijken en zie je dus alleen de sterren die vrij dichtbij staan.

Een mooi voorbeeld van een donkere wolk
tussen de sterren: de paardenkopnevel

Hoewel dit op het eerste gezicht een goed verklaring lijkt, schuilt er een addertje onder het gras: Een donkere wolk die dus licht absorbeert van omringende sterren (anders is die niet donker, namelijk) neemt onvermijdelijk ook energie op uit dat licht. Als gevolg daarvan warmt de wolk een beetje op en gaat zelf ook warmtestraling uitzenden. Dat opwarmen gaat  door totdat er zogenaamd 'thermodynamisch evenwicht' is. In het geval van wolken in een oneindig heelal kan je uitrekenen dat in dat geval de wolken uiteindelijk net zo heet worden als de sterren en ook net zo veel licht gaan uitstralen als die sterren. Dit gaat (voor sterrenkundig begrippen dan) best snel: binnen een paar honderdduizend jaar. Al in de tijd van Kelvin (die zelf trouwens thermodynamicus was) was bekend uit onderzoek van radioactieve straling uit gesteenten dat de planeet Aarde zelf zeker een paar miljard jaar oud was. Het heelal van Kelvin had dus allang al in een dergelijk evenwicht moeten zijn, en de donkere wolken konden het oneindige heelal niet redden...


Een al veel interessanter idee kwam van een buitenstaander (op sterrenkundig gebied tenminste): de schrijver Edgar Allen Poe. Zijn gedachtegang was als volg: het licht van de sterren heeft tijd nodig om ons te bereiken. Het licht van onze eigen zon is al acht minuten onderweg als het de aarde bereikt en dat van de meeste dichtstbijzijnde sterren doet er al een paar jaar over. Als het heelal niet oneindig oud is maar zeg een aantal miljard jaar geleden is ontstaan, dan heeft het licht van sterren die verder weg staan dan een paar miljard lichtjaar ons nog niet bereikt. Daardoor lijkt het heelal eindig, zelfs als dat niet zo is. Poe's idee is een legitieme manier om met de paradox van Olbers af te rekenen, maar dat betekent nog niet dat het heelal ook werkelijk zo in elkaar zit. Vooral het in één keer ontstaan van een oneindig groot heelal gevuld met sterren is natuurkundig niet zo heel aantrekkelijk.

Onze buurman in het heelal: de Andromedanevel. Hubble toonde
aan dat deze bestaat uit zo'n 10 miljard losse sterren!

De uiteindelijke verklaring kwam rond 1930 dankzij de observaties van Edwin Hubble en natuurlijk vooral omdat steeds grotere en betere telescopen het mogelijk maakte om waarnemingen ver in het heelal te doen. Hubble ontdekt dat sommige lichtvlekjes aan de hemel die tot dan toe nevels werden genoemd feitelijk geen nevels waren maar grote 'eilanden' van tientallen miljarden sterren, ver verwijderd van onze aarde. De Melkweg, op een donkere nacht te zien als een lichtende strook aan de hemel, bleek ook zo'n eiland te zijn waarvan onze zon zelf deel uitmaakt. Dit leverde deze eilanden de naam 'melkwegstelsel' op.












Grafiek van de metingen van Hubble: hoe verder een
melkwegstelsel weg staat, hoe sneller deze van ons af beweegt.

Hubble ging echter nog een stapje verder: met veel geduld en handigheid wist hij van veel van deze melkwegstelsels de afstand te bepalen. Bovendien slaagde hij er in om spectraallijnen in het licht van die nevels te meten. Die spectraallijnen zijn gevoelig voor het dopplereffect, je kan daardoor vrij nauwkeurig zien of het sterrenstelsel van ons af of naar ons toe beweegt.

Het resultaat was absurd: Alleen de Andromedanevel beweegt een beetje naar ons toe. Alle andere stelsels bewegen snel van ons vandaan. En dat is nog niet alles: er is ook een rechtstreeks verband tussen de afstand van het stelsel en de snelheid waarmee het van ons af beweegt: hoe verder weg, hoe groter de snelheid. Dit lijkt op een verzameling hardlopers op een zeker tijdstip in een wedstrijd: hoe verder je van de start je kijkt, hoe harder de daar atleten (gemiddeld) lopen. Door de beweging terug te draaien en in de tijd en te bepalen waar en wanneer alle lopers op hetzelfde punt uitkomen, kan je bepalen wanneer het startschot geweest moet zijn. Hubble deed deze berekening voor zijn stelsels en kwam tot de ontdekking dat het heelal zo'n 10 a 15 miljard geleden ontstaan moet zijn in een enorm startschot wat bekend is geworden als 'de oerknal' (of in het Engels 'Big Bang'). Inmiddels is met moderne waarnemingen de leeftijd van het heelal nauwkeurig vastgesteld op 13,7 miljard jaar.


Lost die oerknal de paradox van Olbers dan op? Jazeker, maar langs een paar verschillende wegen. Allereerst had Edgar Allen Poe gedeeltelijk gelijk: de eerste sterren zijn misschien zo'n 13 miljard jaar geleden ontstaan. Omdat het licht tijd nodig heeft om te reizen, zie je verre objecten zoals ze vroeger waren (toen het licht vertrok). Als je verder dan 13 miljard lichtjaar probeert te kijken dan zie je dus geen sterren meer, omdat die toen het licht vertrok (of had kunnen vertrekken, eigenlijk) nog moesten ontstaan. Ook het dopplereffect draagt bij aan het oplossen van de paradox van Olbers: het licht van sterren die snel van ons af bewegen verschuift naar het rode deel van het spectrum. Als ze heel hard van ons af bewegen verschuift het sterlicht uiteindelijk helemaal naar het infrarood ('warmtestraling') en uit het voor ons zichtbare deel van het spectrum. Zo blijkt er in het radiogedeelte van het spectrum wel een zwakke 'gloed' aan de hemel te zien te zijn: de nagloed van de oerknal zelf die extreem naar de rode kant van het spectrum is verschoven.
Volgende keer gaan we kijken hoe de rand van het zichtbare heelal er uit ziet!