Het waarneembare heelal: hoe ver kunnen we kijken?
Wanneer we op een heldere avond naar de sterrenhemel kijken, zien we maar een klein deel van wat er werkelijk in het heelal aanwezig is. Met krachtige telescopen kunnen astronomen veel verder kijken. Ze zien sterrenstelsels die miljarden lichtjaren van ons verwijderd zijn en waarvan het licht al miljarden jaren onderweg is.
Toch is ook onze blik op het heelal niet onbeperkt. Er bestaat een grens aan wat we vanaf de aarde kunnen waarnemen. Niet omdat daar een muur of een rand van het heelal staat, maar omdat het heelal een eindige leeftijd heeft en licht een eindige snelheid.
Het gebied waarvan licht ons sinds het ontstaan van het heelal heeft kunnen bereiken, noemen we het waarneembare heelal. Het is een onvoorstelbaar groot deel van de kosmos, maar waarschijnlijk slechts een gedeelte van het volledige heelal.
Wat betekent het waarneembare heelal?
Het waarneembare heelal is het deel van het heelal waarvan informatie ons op dit moment kan bereiken.
Dat gebeurt vooral via licht en andere vormen van elektromagnetische straling. Wanneer een ver sterrenstelsel licht uitzendt, begint dat licht aan een lange reis door de ruimte. Als het licht uiteindelijk de aarde bereikt, kunnen astronomen het onderzoeken.
Maar het heelal is niet oneindig oud. Het is ongeveer 13,8 miljard jaar oud. Daardoor heeft licht sinds het vroege heelal slechts een beperkte hoeveelheid tijd gehad om ons te bereiken.
Objecten die zo ver weg staan dat hun licht ons nog niet heeft kunnen bereiken, kunnen we op dit moment niet waarnemen.
Licht is niet onmiddellijk
Een van de belangrijkste redenen waarom we een waarneembare grens hebben, is de snelheid van het licht.
Licht beweegt in een vacuüm met ongeveer 300.000 kilometer per seconde. Dat is enorm snel, maar op kosmische afstanden kost zelfs licht veel tijd.
Het licht van de maan doet er ongeveer 1,3 seconde over om de aarde te bereiken. Zonlicht heeft ongeveer acht minuten nodig.
Bij sterren wordt de reistijd veel langer. Het licht van Proxima Centauri, de dichtstbijzijnde bekende ster buiten ons zonnestelsel, doet er ruim vier jaar over om ons te bereiken.
Wanneer we die ster bekijken, zien we haar dus zoals ze er ruim vier jaar geleden uitzag.
Hoe verder we kijken, hoe verder we terugkijken
Dit principe wordt steeds belangrijker bij verre sterrenstelsels.
Wanneer een sterrenstelsel bijvoorbeeld een miljard lichtjaar van ons verwijderd is, heeft het licht ongeveer een miljard jaar gereisd voordat het ons bereikt.
We zien dat sterrenstelsel dus niet zoals het er vandaag uitziet, maar zoals het er ongeveer een miljard jaar geleden uitzag.
Bij sterrenstelsels die miljarden lichtjaren ver weg staan, kijken we daardoor steeds verder terug in de geschiedenis van het heelal.
Telescopen zijn in die zin ook tijdmachines. Ze brengen ons niet letterlijk terug in de tijd, maar het licht dat ze opvangen bevat informatie uit een veel vroeger tijdperk.
Waarom is het waarneembare heelal groter dan 13,8 miljard lichtjaar?
Hier ontstaat een interessante vraag.
Het heelal is ongeveer 13,8 miljard jaar oud. Je zou daarom kunnen denken dat het verste licht dat we kunnen zien maximaal 13,8 miljard lichtjaar heeft afgelegd en dat het waarneembare heelal dus ongeveer 27,6 miljard lichtjaar breed zou zijn.
Toch is de geschatte diameter van het waarneembare heelal ongeveer 93 miljard lichtjaar.
Dat lijkt op het eerste gezicht onmogelijk.
De verklaring is dat de ruimte zelf tijdens de reis van het licht is blijven uitdijen.
Het licht heeft miljarden jaren onderweg geweest, terwijl de afstand tussen ons en het gebied waar het licht vandaan kwam ondertussen groter is geworden.
De huidige afstand tot een zeer ver object kan daardoor veel groter zijn dan de afstand die het licht oorspronkelijk heeft afgelegd.
De uitdijing van de ruimte
Het is belangrijk om hierbij niet te denken aan sterrenstelsels die simpelweg door een lege ruimte vliegen vanuit één centraal punt.
Op grote schaal dijt de ruimte zelf uit.
Terwijl licht door het heelal reist, veranderen daardoor de afstanden tussen grote kosmische structuren.
Een foton kan miljarden jaren onderweg zijn en ondertussen een heel andere kosmische omgeving aantreffen dan wanneer het aan zijn reis begon.
Dit effect speelt een belangrijke rol bij de afstanden die we tegenwoordig aan zeer verre sterrenstelsels toekennen.
Het sluit ook aan op wat we weten over de uitdijing van het heelal: de ruimte tussen zeer ver uit elkaar gelegen structuren wordt op grote schaal steeds groter.
Er is geen zichtbare rand
Het waarneembare heelal heeft een grens in de zin van wat we kunnen waarnemen, maar dat betekent niet dat er een fysieke muur of rand van het heelal bestaat.
Wanneer we steeds verder kijken, bereiken we uiteindelijk een afstand waarvandaan licht ons nog niet heeft kunnen bereiken.
Dat is een waarnemingsgrens, geen materiële grens.
Aan de andere kant van die grens kan zich nog steeds heel veel heelal bevinden. We kunnen het alleen niet rechtstreeks zien.
Het is vergelijkbaar met kijken naar een horizon op aarde. De horizon markeert niet het einde van de aarde; hij markeert alleen de grens van wat je vanaf jouw positie kunt zien.
Bij het heelal is de situatie ingewikkelder, maar het idee van een waarnemingshorizon helpt om het verschil te begrijpen.
De kosmische horizon
Astronomen spreken onder andere over een kosmische horizon. Dit is de grens waarbinnen informatie ons in principe heeft kunnen bereiken.
Door de eindige leeftijd van het heelal en de uitdijing van de ruimte verandert deze grens voortdurend.
Nieuwe informatie kan ons bereiken wanneer licht uit een voldoende ver gebied zijn lange reis naar ons voltooit. Tegelijkertijd kunnen sommige gebieden steeds moeilijker of uiteindelijk helemaal niet meer waarneembaar worden doordat de uitdijing van de ruimte de afstand enorm laat toenemen.
De kosmische horizon is daardoor geen eenvoudige bolvormige muur rond het heelal. Het is een gevolg van de geschiedenis van het heelal, de lichtsnelheid en de manier waarop de ruimte uitdijt.
Het oudste licht dat we kunnen waarnemen
Een van de verste bronnen van informatie die we kunnen onderzoeken is de kosmische achtergrondstraling.
Deze straling ontstond ongeveer 380.000 jaar na het vroege, hete heelal, toen het heelal voldoende was afgekoeld om atomen te kunnen vormen en licht zich veel vrijer door de ruimte kon bewegen.
Dat licht reist sindsdien door het heelal.
Wanneer we de kosmische achtergrondstraling waarnemen, kijken we daardoor terug naar een zeer vroeg tijdperk in de geschiedenis van het heelal.
We zien hiermee niet letterlijk het allereerste moment, maar wel een van de oudste elektromagnetische signalen die rechtstreeks kunnen worden waargenomen.
Waarom kunnen we niet nog verder terugkijken?
De eerste periode van het heelal was niet transparant voor gewoon licht.
Het vroege heelal bestond uit een extreem heet en dicht plasma waarin licht voortdurend werd verstrooid door geladen deeltjes.
Licht kon daardoor niet zomaar miljarden jaren vrij door de ruimte reizen.
Pas toen het heelal voldoende was afgekoeld en elektronen zich aan atoomkernen konden binden, werd de ruimte transparanter voor licht.
Daarom kunnen telescopen met gewoon elektromagnetisch licht niet rechtstreeks tot helemaal aan het begin van het heelal kijken.
Andere soorten waarnemingen kunnen ons wel aanvullende informatie geven over nog vroegere omstandigheden.
Telescopen kijken steeds verder
Moderne ruimtetelescopen hebben onze blik op het verre heelal enorm uitgebreid.
Instrumenten die infrarood licht kunnen waarnemen, zijn bijvoorbeeld bijzonder geschikt om zeer verre en oude sterrenstelsels te bestuderen.
Het licht van zulke objecten is door de uitdijing van het heelal vaak sterk naar langere golflengten verschoven. Infraroodwaarnemingen kunnen daardoor informatie opleveren die met zichtbaar licht moeilijker te verkrijgen is.
Door steeds gevoeligere telescopen te bouwen, proberen astronomen sterrenstelsels te vinden die dichter bij het vroege heelal zijn ontstaan.
Elke verbetering kan ons een stukje verder terugbrengen in de kosmische geschiedenis.
Het verste sterrenstelsel is niet het einde
Wanneer astronomen een extreem ver sterrenstelsel ontdekken, betekent dat niet automatisch dat ze het verste punt van het volledige heelal hebben gevonden.
Het betekent alleen dat ze een van de verste objecten hebben waargenomen waarvan het licht ons tot nu toe heeft bereikt en dat we met onze instrumenten kunnen detecteren.
Er kunnen verder weg nog talloze sterrenstelsels bestaan.
Hun licht kan simpelweg nog onderweg zijn. Het kan ook zo sterk zijn beïnvloed door de uitdijing van het heelal dat het met onze huidige instrumenten bijzonder moeilijk te detecteren is.
Daarom kan de grens van onze waarnemingen in de toekomst verschuiven wanneer telescopen beter worden.
Het waarneembare heelal is niet het volledige heelal
Dit is misschien wel het belangrijkste onderscheid.
Het waarneembare heelal is het deel dat we vanuit onze positie kunnen zien. Het volledige heelal kan veel groter zijn.
We weten momenteel niet met zekerheid hoe groot het volledige heelal is.
Het zou enorm veel groter kunnen zijn dan het waarneembare deel. In sommige modellen kan het zelfs oneindig groot zijn.
Daarom is het niet correct om te zeggen dat het waarneembare heelal hetzelfde is als het hele heelal.
Onze positie speelt hierbij ook een rol. Iedere waarnemer heeft in zekere zin zijn eigen waarneembare gebied, bepaald door welke informatie hem of haar heeft kunnen bereiken.
Een heelal zonder centraal punt
Omdat we vanuit de aarde een waarneembaar heelal om ons heen zien, kan het lijken alsof wij ons in het centrum bevinden.
Dat is echter geen bijzondere kosmische positie.
Elke waarnemer in een voldoende groot deel van een homogeen uitdijend heelal zou in principe zijn eigen waarneembare gebied om zich heen zien.
Het lijkt daardoor alsof iedere waarnemer in het centrum van zijn eigen zichtbare kosmos staat.
Dat betekent niet dat er één speciaal middelpunt van het hele heelal is.
Wat gebeurt er met verre sterrenstelsels?
Door de uitdijing van het heelal kunnen zeer verre sterrenstelsels zich op grote schaal steeds verder van ons verwijderen.
Bij voldoende grote afstanden kan de onderlinge afstand tussen ons en een ver sterrenstelsel zo snel toenemen dat licht dat het sterrenstelsel nu uitzendt ons uiteindelijk niet meer bereikt.
Dat is een gevolg van de kosmische uitdijing en betekent niet dat het sterrenstelsel noodzakelijkerwijs door de ruimte vliegt met een snelheid die de lichtsnelheid overschrijdt.
De schaal van de ruimte zelf verandert.
Hierdoor heeft het heelal niet alleen een verleden dat we met telescopen kunnen onderzoeken, maar ook een toekomst waarin delen van de kosmos steeds moeilijker waarneembaar kunnen worden.
Wat kunnen we nog ontdekken?
Hoewel het waarneembare heelal al enorm groot is, weten we nog lang niet alles over de kosmos.
Nieuwe telescopen kunnen zwakkere en verder weg gelegen sterrenstelsels ontdekken. Andere instrumenten kunnen verschillende soorten straling en signalen onderzoeken.
Ook zwaartekrachtgolven geven ons een nieuwe manier om gebeurtenissen in het heelal te bestuderen.
Door verschillende waarnemingsmethoden te combineren, kunnen astronomen een steeds completer beeld krijgen van de geschiedenis en structuur van het heelal.
Misschien ontdekken we daardoor objecten die nog dichter bij het vroege heelal liggen dan we nu kunnen zien.
Een grens die geen einde is
Het waarneembare heelal laat zien hoe bijzonder onze positie als waarnemer is.
We kijken door ruimte én tijd. Het licht van verre sterrenstelsels vertelt ons hoe het heelal er miljarden jaren geleden uitzag. Tegelijkertijd bepaalt de eindige leeftijd van het heelal welke gebieden we überhaupt kunnen zien.
De geschatte omvang van het waarneembare heelal is ongeveer 93 miljard lichtjaar in diameter. Toch weten we niet hoe groot het volledige heelal is en bestaat er geen bekende zichtbare rand waar de ruimte ophoudt.
Onze kosmische horizon markeert dus niet het einde van alles wat bestaat. Het is de grens van wat informatie ons tot nu toe heeft kunnen vertellen.
En misschien is dat wel een van de meest fascinerende eigenschappen van de diepe ruimte: hoe verder we kijken, hoe verder we terugkijken in de geschiedenis van het heelal — maar altijd binnen de grenzen van wat het licht ons kan laten zien.