Hoe groot is het totale heelal – het heelal buiten het waarneembare heelal?

Het gedeelte van het heelal dat voor ons waarneembaar is, omdat licht of andere signalen van objecten in dat deel de tijd hebben gehad om ons te bereiken, is 93 miljard lichtjaar in diameter – we hebben ’t er eerder over gehad. Een waarneembaar heelal van 93 miljard lichtjaar doorsnede, gegroeid in een periode van 13,8 miljard jaar lijkt op het eerste gezicht niet te kunnen, want je zou zeggen dat niets sneller gaat dan het licht en dat de straal van het heelal dus niet meer dan 13,8 miljard jaar kan bedragen. Maar dat niets sneller gaat dan het licht, zoals Einstein in 1905 voor ”t eerst riep, geldt voor alles dat beweegt IN de ruimte, dus voor fotonen, protonen, neutronen, sterren, sterrenstelsels, raketten, etc… Maar het geldt niet voor de ruimte zelf! De ruimte kan wel degelijk sneller bewegen dan het licht en op twee momenten gebeurt dat ook daadwerkelijk:

• zeer kort na de oerknal begon er een zeer korte, maar extreem snelle expansie van het heelal, de zogeheten inflatieperiode. Er is hier en daar wat verwarring over de omvang van het heelal voor en na de inflatieperiode, maar ga er vanuit dat het heelal op het moment dat de inflatieperiode begon (10^-36 s na de oerknal) 7,7 x 10^-30 m groot was en na de inflatieperiode met z”n exponentiële groei, die 10^-32 s duurde, 0,88 mm, zeg de grootte van een zandkorrel. In die korte periode groeide het heelal met een factor 10^26 en die expansie ging sneller dan het licht.
• sinds eind jaren twintig van de vorige eeuw weten we door het onderzoek van de Amerikanen Vesto Slipher en Edwin Hubble dat het heelal expandeert en dat sterrenstelsels van ons af bewegen. Hubble vatte dat samen in de beroemd geworden wet van Hubble, v=HoD, waarin v de snelheid van een sterrenstelsel is, Ho de Hubble constante en D de afstand van het stelsel. Hoe verder weg sterrenstelsels staan des te harder ze zich van ons af bewegen. Crux van het verhaal is dat niet de stelsels zelf zich van ons af bewegen, zoals het in het geval van een explosie zou gaan. Nee, de sterrenstelsels bewegen allemaal mee met de expansie van de ruimte, wij en al die honderden miljarden andere sterrenstelsels in het heelal – een expansie die door de donkere energie versnelt. Uit de wet van Hubble volgt het bestaan van een zogeheten Hubble Volume, een deel van het heelal waarin de sterrenstelsels zich met maximaal de lichtsnelheid van ons vandaan bewegen. Ergo: buiten het Hubble Volume is een deel waarin de sterrenstelsels met meer dan de lichtsnelheid van ons af bewegen.

De vraag is nu of we iets zinnigs kunnen zeggen over het heelal buiten het voor ons waarneembare heelal? Als door de inflatieperiode het heelal zo extreem gegroeid is dat er delen buiten ons ‘bereik’ van het waarnemen zijn gekomen en als door de Hubble-expansie delen zelfs sneller dan het licht expanderen en die delen dus nooit voor ons zichtbaar zullen zijn, kunnen we dan weten hoe groot het totale heelal is? Jazeker, daar zijn zeker zinnige dingen over te zeggen en die zijn op grond van argumenten. Zo heeft men op grond van waarnemingen met onder andere de Planck satelliet kunnen afleiden dat de vorm van het heelal vlak is, d.w.z. dat de kromming van het heelal niet positief is, niet negatief, maar nul. Daarnaast is het heelal homogeen, dat wil zeggen dat het heelal er voor alle waarnemers hetzelfde uitziet, ongeacht waar ze zich bevinden, en isotroop, dat wil zeggen dat het heelal er voor een waarnemer in elke richting hetzelfde uitziet. Dát het heelal homogeen en isotroop is wordt het kosmologische principe genoemd, een term die voor het eerst door Arthur Milne in 1933 is genoemd.

Uit de vlakheid van het heelal en het kosmologische principe volgt dat een waarnemer in een sterrenstelsel aan de rand van het voor ons waarneembare heelal ook een heelal ziet dat homogeen en isotroop is (zie afbeelding hierboven). Berekeningen op grond hiervan laten zien dat het totale heelal minstens 400 keer groter moet zijn dan het waarneembare heelal.

De inflatieperiode zegt ook iets over de omvang van het totale heelal. Als de grootte van het heelal vanaf de start van de inflatieperiode net zo groot was als de afstand die het licht sinds de oerknal af kon leggen dan is het totale heelal 10^27 keer groter dan het waarneembare heelal. Ding dong – het totale heelal, dat 93 miljard x 10^27 lichtjaar groot is. 😯 Het zou overigens ook kunnen zijn dat het totale heelal zelfs oneindig groot is. Nog even ter afsluiting over de afbeelding bovenaan de blog. Dat is een recent gemaakte voorstelling van het waarneembare heelal, waarin de afstanden logaritmisch zijn weergegeven. In het midden is het zonnestelsel te vinden, daarbuiten de Kuipergordel, Oortwolk, Alpha Centauri, de Perseus spiraalarm van de Melkweg, de Melkweg zelf, het Andromedastelsel, nabije sterrenstelsels, de vervlochten clusters van sterrenstelsel, de kosmische microgolf-achtergrondstraling (de rode rand) en tenslotte de oerknal zelf. Hier een versie van de prachtige afbeelding in megaformaat. Credit: Pablo Carlos Budassi.

Bron: Koberlein.