Er bestaat geen twijfel over, voor wie het ooit heeft meegemaakt, dat de nachtelijke hemel in feite donker is. Maar… de verklaring van dit simpele feit roept, als je er diep over nadenkt, een hoop vragen op die beantwoord moeten worden.
Wikimedia Commons gebruiker ForestWander
Vanuit ons perspectief hier in het zonnestelsel, is het absoluut intuïtief logisch waarom we overdag zien wat we doen versus ’s nachts. Overdag overspoelt het zonlicht onze atmosfeer in alle richtingen, met zowel direct als gereflecteerd zonlicht dat van overal waar we kunnen kijken naar ons toe komt. s Nachts overspoelt het zonlicht de dampkring niet, en dus is het overal aan de hemel donker waar geen lichtpuntje is, zoals bij een ster, een planeet of de maan.
Maar je zou je iets dieper kunnen gaan afvragen dan dat. Als het heelal oneindig is, zou onze gezichtslijn dan niet uiteindelijk op een ster moeten stuiten, in welke richting we ook kijken? Als je weet dat er triljoenen sterrenstelsels zijn en dat telescopen de zwakke sterrenstelsels kunnen zien die onze ogen niet kunnen zien, waarom verlicht het licht van al die sterrenstelsels samen dan niet elk punt aan de hemel? Het is geen gemakkelijke vraag om te beantwoorden, maar de wetenschap gaat de uitdaging aan.
De Melkweg bij de Grand Canyon, toevallig de eerste plaats waar ik zelf ooit de Melkweg zag,… wat pas gebeurde toen ik 20 was, omdat ik opgroeide in stedelijke gebieden. Het vlak van de Melkweg lijkt donker, in silhouet tegen de achtergrondsterren in het vlak van ons melkwegstelsel.
Bureau of Land Management, onder een cc-by-2.0 licentie
Dit is een raadsel waar wetenschappers al eeuwen mee worstelen. Als je er diep over nadenkt, is het misschien niet eens logisch voor je. Ja, het is waar dat onze atmosfeer hier op aarde grotendeels transparant is voor zichtbaar licht, waardoor wij ’s nachts in de uitgestrekte afgronden van de diepe ruimte kunnen kijken. Onze plaats in het melkwegstelsel betekent dat alleen het galactische vlak wordt verduisterd door het stof en gas op de voorgrond dat het licht van het centrale gebied van de Melkweg tegenhoudt.
Maar daarbuiten zou je verwachten licht te zien in elke richting en op elke plaats waar je naar binnen zou kunnen kijken. Immers, als het heelal werkelijk oneindig is, dan gaat de leegte van de diepe ruimte eindeloos door. In elke richting die je je kunt voorstellen, zal je gezichtslijn uiteindelijk op een lichtpunt stuiten.
De volledige UV-zichtbare-IR compositie van de XDF; het grootste beeld dat ooit is vrijgegeven van het verre… heelal. In een gebied van slechts 1/32.000.000ste van de hemel, hebben we 5.500 identificeerbare sterrenstelsels gevonden, allemaal te danken aan de Hubble Space Telescope. Maar zelfs in dit ongelooflijk diepe beeld, dat een heelal onthult met honderden miljarden (of meer) sterrenstelsels, lijkt de ruimte nog steeds donker.
NASA, ESA, H. Teplitz en M. Rafelski (IPAC/Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), en Z. Levay (STScI)
Als dit waar zou zijn, dan zou de nachthemel helemaal niet donker zijn, maar verlicht worden door elke ster waarvan het lichtpad de lange reis naar de aarde heeft gemaakt.
Toch, zelfs als we kijken naar de diepste diepten van wat een lege ruimte lijkt te zijn, waar geen sterren of melkwegstelsels kunnen worden gezien door menselijke ogen of zelfs conventionele telescopen, onthullen onze krachtigste observatoria zo veel dat er is, maar het zijn nog steeds slechts een paar lichtpuntjes tegen de zwarte achtergrond van de lege ruimte.
Ja, het heelal is vol sterren en melkwegstelsels. Ja, ze bevinden zich op enorme afstanden: miljoenen, miljarden, of zelfs tientallen miljarden lichtjaren. Sterrenlicht reist door het heelal en bereikt onze beste waarnemingsapparatuur, waardoor een rijk heelal met een enorme omvang zichtbaar wordt. Maar enorm, hoe groot het ook wordt, is nog lang niet oneindig.
Het is misschien mogelijk dat het heelal echt oneindig is, met een oneindig aantal sterren en… sterrenstelsels in alle richtingen. Maar als dat zo zou zijn, zou je verwachten dat je gezichtslijn uiteindelijk een lichtgevend object zou snijden. Als dat zo zou zijn, zou duisternis onmogelijk zijn.
Andrew Z. Colvin / Wikimedia Commons
Wetenschappelijk gezien is de jury er nog niet uit of het heelal eindig of oneindig is; we weten het gewoon niet. Wat we wel weten is dat het deel van het heelal dat voor ons waarneembaar is eindig moet zijn. Hoewel we tot de tweede helft van de 20e eeuw praktisch niets wisten over de grootschalige structuur van het heelal, wisten we toch dat een oneindig groot waarneembaar heelal gewoon onmogelijk was.
In de jaren 1800 merkte Heinrich Olbers een wiskundige paradox op. Als je een oneindig heelal zou hebben met een constante dichtheid van sterren en/of melkwegstelsels, dan zou je uiteindelijk een oneindige hoeveelheid licht zien vanuit elke richting waarin je kijkt. Je zou alle sterren zien die dichtbij zijn, en dan in de ruimte tussen de sterren, zou je de sterren zien die verder weg zijn. In de ruimte tussen die sterren, zag je nog meer sterren die verder weg stonden. Ongeacht de afstand tot hen – miljoenen, miljarden, triljoenen, quadriljoenen lichtjaren, enz. – uiteindelijk, waar je ook keek, kwam je een ster tegen.
Zwarte sterren komen voor in een grote verscheidenheid van afmetingen, kleuren en massa’s, waaronder vele heldere, blauwe die… tientallen of zelfs honderden malen zo zwaar zijn als de zon. Dit wordt hier gedemonstreerd in de open sterrenhoop NGC 3766, in het sterrenbeeld Centaurus. Als het heelal oneindig was, zou zelfs een sterrenhoop als deze geen ‘gaten’ vertonen tussen de sterren, omdat een verder weg gelegen ster die gaten uiteindelijk zou opvullen.
ESO
Denk er eens wiskundig over na, als je wilt. Als de sterdichtheid in de hele ruimte constant is, dan is het totale aantal sterren dat je zult vinden gelijk aan de sterdichtheid vermenigvuldigd met het volume van het heelal. Hoe verder weg een ster is, hoe zwakker hij lijkt: zijn helderheid neemt af met het kwadraat van de inverse afstand (~1/r2).
Maar het totale aantal sterren dat je op een bepaalde afstand kunt zien, is gerelateerd aan de oppervlakte van een bol, die toeneemt met het kwadraat van de afstand. (De formule voor de oppervlakte van een bol is 4πr2.) Vermenigvuldig het aantal sterren met de helderheid van elke ster, en je krijgt een constante. De helderheid op een bepaalde afstand is een bepaalde waarde: laten we die B noemen. Twee keer zo ver weg, is die helderheid ook B. Drie keer? Nog steeds B. Vier? Weer B.
Een illustratie van Olbers’ Paradox, en hoe je in een uniform dicht heelal een… oneindige hoeveelheid sterlicht in elke richting tegenkomt.
Wikimedia Commons gebruiker Htkym
Nu die reeks optellen: B + B + B + B + ….. enzovoort. Ziet u waar dit heen gaat? Het antwoord is, helaas, naar oneindig. Tenzij die reeks op een of andere manier wordt afgesloten, krijg je een oneindige waarde voor de helderheid van de nachtelijke hemel in elke richting.
Terug in de 19e eeuw gebruikte Olbers deze redenering om te concluderen dat het waarneembare heelal niet oneindig kon zijn, maar hij kon er niet zeker van zijn. Er waren immers andere astronomische bezwaren. Een van de gangbare bezwaren was dat deze naïeve analyse geen rekening hield met al het licht-blokkerende stof dat duidelijk aanwezig was, en dat je kon zien door alleen maar naar het vlak van de Melkweg te kijken. Zelfs in onze moderne tijd zijn veel van onze beroemdste astronomische bezienswaardigheden gevuld met licht-blokkerend stof.
Donkere, stoffige moleculaire wolken, zoals deze in onze Melkweg, zullen in de loop van de tijd ineenstorten en… aanleiding geven tot nieuwe sterren, waarbij de dichtste gebieden binnenin de meest massieve sterren vormen. Maar ook al zijn er veel sterren achter, het sterlicht kan niet door het stof heen breken; het wordt geabsorbeerd.
ESO
In een eindig heelal kan dat stof concurreren met sterlicht, omdat het zichtbare licht dat op het stof valt wordt geabsorbeerd en bij lagere energieën weer wordt teruggestraald. Maar als het heelal werkelijk oneindig zou zijn, dan zou het probleem van Olbers Paradox opduiken voor elke stofkorrel daarbuiten: elke korrel zou een oneindige hoeveelheid sterrenlicht moeten absorberen, totdat ook hij dezelfde temperatuur zou uitstralen als al het licht dat hij absorbeerde! Met andere woorden, er was iets mis. Ons heelal kon niet statisch zijn, oneindig, en gevuld met sterren die voor altijd schenen. Als dat het geval was, zou de nachtelijke hemel eeuwig en eeuwig helder zijn, op alle plaatsen en in alle richtingen. Hier is duidelijk iets anders aan het werk.
Het waarneembare heelal mag dan vanuit ons gezichtspunt 46 miljard lichtjaar in alle richtingen zijn,… maar er is zeker meer, niet waarneembaar heelal, misschien zelfs oneindig veel, net als het onze daarachter. Het heelal mag dan oneindig zijn, maar wij kunnen alleen licht zien dat 13,8 miljard jaar heeft gereisd: de hoeveelheid tijd sinds de oerknal.
Frédéric MICHEL en Andrew Z. Colvin, geannoteerd door E. Siegel
Het feit dat ons redt, en dat Olbers in zijn tijd niet kon weten, is niet dat het heelal niet oneindig groot is (dat zou het nog steeds kunnen zijn), maar dat het, in zijn huidige vorm, niet oneindig lang teruggaat in de tijd. Het heelal waar we nu in leven had een begin: een dag zonder gisteren. Dat begin staat bekend als de Oerknal, die een beginpunt vormt voor alle materie, straling, energie en licht dat mogelijk bestaat in het waarneembare Heelal.
Het Heelal bestaat niet eeuwig, en daarom kunnen we alleen sterren en melkwegstelsels waarnemen die op een specifieke en eindige afstand staan. Daarom kunnen wij slechts een eindige hoeveelheid licht, warmte en energie van hen ontvangen, en kan er geen willekeurig grote hoeveelheid licht aan onze nachtelijke hemel zijn.
Logaritmische schaalopvatting van het waarneembare heelal door een kunstenaar. Sterrenstelsels maken plaats voor grootschalige… structuur en het hete, dichte plasma van de oerknal aan de rand. Proberen uit te vinden hoeveel sterrenstelsels er bestaan binnen het zichtbare heelal is een van de grote kosmische zoektochten van onze tijd.
Wikipedia gebruiker Pablo Carlos Budassi
Maar dit brengt een ander stukje van de puzzel naar boven. Als het heelal ooit heet en dicht was en vol met materie en straling, zoals de oerknal beweert, dan zou die straling uit die begintijd uiteindelijk tot onze ogen moeten doordringen. Overal waar we kijken, in alle richtingen, zou er geen ontkomen aan die straling moeten zijn.
In feite kunnen we, gebaseerd op hedendaagse observaties, berekenen hoeveel fotonen die overgebleven zijn van de Big Bang het heelal vandaag de dag vullen, en het antwoord is 411 daarvan voor elke kubieke centimeter ruimte. Als je vraagt waarom we het niet waarnemen, is het antwoord dat we het wel waarnemen, en dat doen we de hele tijd. Als je met een heel oude televisie, met een konijnenoor-antenne, de intergalactische ruimte in zou gaan, ver weg van enige stellaire of aardse radiobronnen, zou je hem kunnen afstemmen op kanaal 3. Je zou nog steeds 1% van de “sneeuw” zien die je op Aarde ziet; dat is de straling van de Big Bang.
Dit ouderwetse televisietoestel heeft de ouderwetse antennes bovenop, die gebruikt worden om… televisiesignalen op te pikken. Hier op Aarde is een klein deel van dat ‘sneeuw’signaal, ongeveer 1%, te danken aan de straling van de Big Bang.
Getty
Het is een feit dat we dit licht van de Big Bang wel ontvangen, en dat het overal aan de hemel te vinden is op een onvermijdelijke manier. De enige reden waarom je het niet met het blote oog ziet, is omdat het heelal in de loop van de kosmische geschiedenis is uitgedijd, en daarom is dit ooit zichtbare licht nu verschoven naar zulke lange golflengten dat je ogen het niet kunnen zien, je huid het niet kan voelen, en je lichaam het niet kan waarnemen.
Maar je microgolf- en radio-antennes kunnen het wel oppikken. In feite is dat hoe deze straling voor het eerst werd ontdekt, en hoe de Big Bang voor het eerst werd bevestigd: met een reusachtige radio-antenne die dit signaal oppikte, ongeacht wanneer of waar de wetenschappers die het bedienden, keken. Als onze ogen zich hadden aangepast om microgolf- of radiolicht te zien, zouden we in feite een nachthemel zien die in alle richtingen gelijkmatig helder was, zonder donkere plekken waar dan ook.
Volgens de oorspronkelijke waarnemingen van Penzias en Wilson zonden de galactische vlakken enkele… astrofysische stralingsbronnen uit (midden), maar daarboven en daaronder was alles wat overbleef een bijna volmaakte, uniforme achtergrond van straling. De temperatuur en het spectrum van deze straling zijn nu gemeten, en de overeenkomst met de voorspellingen van de Big Bang zijn buitengewoon. Als we het microgolflicht met onze ogen zouden kunnen zien, zou de hele nachthemel eruitzien als het afgebeelde groene ovaal.
NASA / WMAP Science Team
Er zijn twee feiten nodig om te verklaren waarom de nachthemel donker is. Het eerste is dat het heelal nog maar een eindige tijd bestaat, waardoor de omvang en hoeveelheid van de straling die momenteel voor ons waarneembaar is, beperkt is. De tweede is dat we alleen licht kunnen zien in een beperkt deel van het elektromagnetisch spectrum: het optische deel.
Als we in plaats daarvan de hemel in microgolflicht zouden kunnen bekijken, zou de hemel er in alle richtingen en op elk moment helder uitzien. Het is een beetje ironisch, als je erover nadenkt, dat het alleen onze zeer menselijke beperkingen zijn die de nachtelijke hemel er überhaupt interessant uit lieten zien om te verkennen. Tegenwoordig hebben we satellieten gebouwd die deze straling uitstekend kunnen meten, en die hebben ons veel meer geleerd over de oorsprong en de eigenschappen van ons heelal dan we ooit te weten zouden komen door alleen onze beperkte zintuigen te gebruiken. De nachtelijke hemel lijkt misschien donker voor ons, maar het licht dat er altijd is heeft ons de ultieme oplossing van deze kosmische paradox geleerd.