Naar de rand van het heelal

Heeft het heelal eigenlijk wel een rand? Als je denkt aan zoiets als de rand van een tafel dan moet ik je teleurstellen: voor zover we weten ziet het heelal er op alle plekken 'in grote lijnen' hetzelfde uit. Als je met een supersnel ruitmeschip eindeloos door het heelal gaat scheuren zal je dus nooit de rand van het heelal tegenkomen. Toch is het heelal wel begrensd in ruimte te tijd. Op het eerste gezicht lijkt dat misschien met elkaar in tegenspraak, maar iets dergelijks doet zich ook voor op onze eigen aardbol: sinds de tijd van Maghelhaen en Columbus weten we dat je eindeloos over de aarde kan varen zonder ooit een rand tegen te komen waar je niet verder kan of van af valt (soms zit natuurlijk wel eens een continent in de weg, maar daar kan je in principe gewoon omheen). Aan de andere kant weten we (sinds de tijd van Greenpeace) dat het aard- en zeeoppervlak niet onbeperkt groot is.

Ooit dacht men zelfs dat de rand
van het heelal lopend kon bereiken...

Maar hoewel het aardoppervlak geen rand heeft, is er wel een soort van rand te zien: de horizon. Hoe zou dat in het heelal zitten, heeft dat ook een horizon? Het antwoord is natuurlijk: jawel! Deze horizon wordt veroorzaakt door de eindige snelheid van het licht en de eindige leeftijd van het heelal.

Het licht reist door het heelal met een snelheid van zo'n driehonderduizend kilometer per seconde. Dat is natuurlijk onvoorstelbaar snel, maar de afmetingen in het heelal zijn óók onvoorstelbaar groot. Onze eigen zon staat gemiddeld 149 miljoen kilometer van de aarde. Met een redelijk eenvoudig rekensommetje kan je dan nagaan dat het licht er van de zon tot hier zo'n 8 minuten over doet. Het gevolg is dat wanneer je nu naar de zon kijkt je dus het licht ziet dat 8 minuten geleden vertrokken is. Je ziet dus niet de zon zoals die nu is, maar zoals die 8 minuten geleden was!

Zelfs bij de meest dichtsbijzijnde sterren is het licht al enige jaren onderweg geweest om ons te bereiken. Sommige reuzensterren zijn zo helder dat we ze heel ver weg al kunnen zien: hun licht heeft er dan duizenden jaren over gedaan om ons te bereiken en we zien die sterren dus feitelijk zoals ze waren in de tijd dat de Egyptenaren hun pyramides bouwden. Nu leven de meeste sterren miljarden jaren lang zonder dat ze ondertussen veel veranderen. Een paar duizend jaar is dan maar één miljoenste deel van hun leven, dus de kans dat er in die tijd veel veranderd is, is niet heel groot. Maar bij een enkele ster is die kans wel aanwezig. Zo is er aan de zuidelijke sterrenhemel in het sterrenbeeld Kiel een wonderlijke ster te vinden: Eta Carina.

De ster Eta Carina en de nevel die bij de
explosie van 1843 gevormd is.

Rond 1843 was dit ineens één van de helderste sterren aan de hemel. Maar op dit moment is hij met het blote oog niet eens zichtbaar: een enorme stofnevel die bij de explosie van 1843 gecormd is houdt het meeste licht tegen. Het is een hyperreus en één van de zwaarste sterren van ons melkwegstelsel. Bovendien is de ster aan het eind van zijn leven geraakt en instabiel geworden. Mogelijk heeft Eta Carina nog maar een paar duizend jaar te gaan voordat deze ster als supernova zijn leven als ster afsluit. Maar hier geldt weer hetzelfde: Eta Carina staat zo'n 8000 lichtjaar bij ons vandaan en we zien de ster dus zoals die 8000 jaar geleden was. Het is goed mogelijk dat Eta Carina in de tussentijd een supernova-explosie heeft ondergaan die wij pas in de toekomst gaan zien. Je ziet dan dus nu een ster die feitelijk misschien al niet meer bestaat! Wanneer het licht van die supernova-explosie uiteindelijk op aarde komt, is de voorspelling dat je er 's nachts een boek bij kan lezen (op het zuidelijk halfrond dan, hier komt hij niet boven de horizon uit).

Onze buurman: de Andromedanevel

Naarmate de afstanden groter worden kijk je dus steeds verder het verleden in. Het eerstvolgende melkwegstelsel, de Andromedanevel, staat al zo'n 2,5 miljoen lichtjaar bij ons vandaan. Op een heldere, donkere nacht (niet in de randstad, dus) kan je deze nevel nog net met het blote oog zien. Je kijkt dan dus zonder hulpmiddelen al 2,5 miljoen jaar het verleden in. En dat is dan nog maar de naaste buurman. Met telescopen kan je steeds zwakkere melkwegstelsels vinden waarvan de meeste ook steeds verder weg zullen staan, tot miljarden lichtjaren bij ons vandaan. Dat licht is dan al voor een flink deel uitgestraald door sterren die inmiddels niet meer bestaan.

Toch kan je daarmee niet oneindig ver doorgaan! Omdat het heelal 13,7 miljard jaar oud is, zal je nooit een melkwegstelsel kunnen zien dat verder weg staat dan 13,7 miljard lichtjaar. De grens ligt zelfs nog iets minder ver, omdat het enige tijd duurde voordat het heelal na de oerknal voldoende was afgekoeld zodat zich sterren en melkwegstelsels konden gaan vormen. Hoe zouden die eerste melkwegstelsels er uitgezien hebben?

Om deze vraag te beantwoorden, moet je dus heel ver het heelal in kijken. Het recept daarvoor is ongeveer als volgt: zoek een stukje aan de hemel waar op het eerste gezicht helemaal niets te zien is, neem de beste telescoop die je kan vinden en maak een zo lang als maar technisch mogelijk is belichte opname van dat gebied. Daarbij is het van belang dat je zo min mogelijk  ander licht hebt die je lange opname zou kunnen verpesten. Eigenlijk lukt dat niet op het aardoppervlak en moet je dus een ruimtetelescoop gebruiken: De Hubble Space Telescope. Die heeft geen last van strooilicht en andere ongemakken van de dampkring en heeft ook als bijkomend voordeel dat hij bepaalde delen van sterrenhemel continu kan waarnemen zonder dat het onder de horizon verdwijnt.


Nu is waarneemtijd op de Hubble Space Telescope zo'n beetje de grootste wens van alle sterrenkundigen op aarde. Het valt niet mee om zelfs maar tien minuten toegang tot de ruimtetelescoop te krijgen, en je kan je dus voorstellen dat je een probleem hebt als je deze telescoop dagenlang op een zo leeg mogelijk stukje van de hemel wilt richten. Gelukkig was er iemand die dit wel kon regelen: de directeur van het instituut dat de Hubble telescoop beheert mag 10% van de waarnemingstijd zelf toekennen aan speciale projecten. En hij zag zowaar wel wat in dit idee!

In december 1995 werd de Hubble telescoop dus gedurende tien dagen gericht op een leeg stukje hemel ter grootte van een tennisbal op 100 meter afstand. Het resultaat (dat bekend staat als de 'Hubble Deep Field') zie je hieronder:

Het is natuurlijk lastig om direct te beseffen wat je hier ziet, het is tenslotte geen alledaags plaatje. Er staan maar een paar losse sterren in beeld, te herkennen aan de 'speldenpunten' die in diagonale richting wijzen. Alle andere vlekjes en puntjes (het schijnen er ongeveer 3000 te zijn) zijn stuk voor stuk melkwegstelsels die elk voor zich weer bestaan uit misschien wel honderden miljarden sterren. De hemel staat dus letterlijk bijna vol met sterrenstelsels! De grote melkwegstels in het plaatje zullen relatief dichtbij zijn en bij sommigen kan je duidelijk een spiraal structuur zien. De kleinste en zwakste staan letterlijk 'halfway across the universe'.

Maar we kunnen nog verder dan dat. In 2002 werd de Hubble ruimtelescoop bezocht door de Space Shuttle Columbia en van nieuwe instrumenten voorzien. De Colombia verongelukte tragisch genoeg tijdens de volgende vlucht, maar de gemoderniseerde Hubble telescoop deed het gelukkig beter dan ooit. Dat was aanleiding om dit experiment nog eens over te doen (maar dan beter): eind 2003 werd de telescoop in totaal zo'n 11 dagen op een ander leeg stukje hemel gericht, waarbij nog verdere, zwakkere sterrenstelsels te zien zijn. Het onderstaande plaatje is het resultaat van die 'Hubble Ultra Deep Field' opnames:

De Hubble Ultra Deep Field. Klik op de afbeelding om de 'full resolution versie te zien'

Als je in dit plaatje op zoek wilt gaan naar het verste wat er te zien is, dan moet je op zoek naar de kleine rode vlekjes in het bovenstaande plaatje. De allerverste die men heeft weten te ontdekken luistert naar de fraaie naam UDFj-39546284 en staat zo'n 13,2 miljard lichtjaar weg. We zien dan het heelal toen het nog maar een half miljard jaar oud was, ofwel maar ongeveer een dertigste deel van zijn huidige leeftijd.

UDFj-39546284

De rode kleur van het sterrenstelsel komt trouwens niet doordat zijn sterren rood zijn (die zijn juist erg blauw, blijkt) maar omdat hij met bijna de lichtsnelheid van ons vandaan vliegt: door het dopplereffect is het licht extreem naar het rood verschoven. NASA en ESA (die ik hierbij ook formeel ook nog even moet bedanken voor het beschikbaar stellen van het beeldmateriaal) hebben hier nog een paar mooie filpjes van gemaakt, die je onderaan kunt vinden. In de eerste zoom je in op dat verste bekende sterrenstelsel. In het andere filmpje heeft NASA de geschatte afstanden van alle vlekjes in de opname gebruikt om er een zeer indrukwekkende 3D 'fly-through' van de te maken. In dat filmpje zie je dat naarmate je verder gaat en dus verder in het verleden kijkt, de sterrenstelsels minder symmetrisch en kleiner worden. Dat wijst er op dat de huidige sterrenstelsels ontstaan zijn uit onderlinge botsingen. Ook de fraaie spiraalstructuren zijn dus blijkbaar pas gaandeweg ontstaan.

Voorlopig moeten we het hier trouwens mee doen. Pas na de lancering van de nieuwe James Webb telescoop, die nog wel een paar jaar op zich laat wachten, is een nieuwe 'Deep Field' opname te verwachten. Die grotere opvolger van de Hubble gaat voornamelijk in het infra-rood kijken, waardoor melkwegstelsels die nog zwakker en verder roodverschoven kan waarnemen. Met wat geluk kunnen we dan de eerste sterren in het helaal nog zien aangaan.