universum toont ingewikkelde patronen van clustering die zich nooit herhalen. Maar vanuit ons perspectief kunnen we alleen een eindig volume van het universum zien. Wat ligt er achter deze rand? V. Springel et al., Mpa Garching, and the Millenium Simulation

13,8 miljard jaar geleden begon het heelal zoals we het kennen met de hete oerknal. In die tijd is de ruimte zelf uitgebreid, heeft de materie gravitationele aantrekking ondergaan, en het resultaat is het universum dat we vandaag zien. Maar hoe groot het ook is, er is een grens aan wat we kunnen zien. Voorbij een bepaalde afstand verdwijnen de sterrenstelsels, fonkelen de sterren en zijn er geen signalen van het Verre universum te zien. Wat ligt daarachter? Dat is de vraag van deze week van Dan Newman, die vraagt:

als het universum eindig is in volume, is er dan een grens? Is het toegankelijk? En wat zou het uitzicht in die richting zijn?

laten we beginnen met op onze huidige locatie te beginnen en zo ver mogelijk in de afstand te kijken.

lijkt veel op de onze. Maar als we verder weg kijken, zien we het universum zoals het was in het verre verleden: minder gestructureerd, heter, jonger en minder geëvolueerd. NASA, ESA en A. Feild (STScI)

in onze eigen achtertuin is het heelal vol sterren. Maar als je meer dan 100.000 lichtjaar weg gaat, heb je de Melkweg achter je gelaten. Buiten dat, is er een zee van sterrenstelsels: misschien twee biljoen in totaal in ons waarneembare universum. Ze zijn er in een grote diversiteit van soorten, vormen, maten en massa ‘ s. Maar als je terugkijkt naar de verder verwijderde, begin je iets ongewoons te vinden: hoe verder weg een sterrenstelsel is, hoe groter de kans dat het kleiner is, lager in Massa, en dat de sterren intrinsiek blauwer van kleur zijn dan de nabije sterren.

in de geschiedenis van het universum: kleiner, blauwer, jonger en minder geëvolueerd in vroegere tijden. NASA, ESA, P. van Dokkum (Yale University), S. Patel (Universiteit Leiden), en het 3D-HST Team

Dit is logisch in de context van een universum dat een begin had: een verjaardag. Dat is wat de oerknal was, de dag dat het universum zoals wij het kennen werd geboren. Voor een melkwegstelsel dat relatief dichtbij is, is het ongeveer dezelfde leeftijd als wij. Maar als we naar een melkwegstelsel kijken dat miljarden lichtjaren ver weg is, moet dat licht miljarden jaren reizen om onze ogen te bereiken. Een sterrenstelsel waarvan het licht 13 miljard jaar duurt om ons te bereiken, moet minder dan een miljard jaar oud zijn.hoe verder we kijken, Kijken We terug in de tijd.

eXtreme Deep Field; het grootste beeld ooit uitgebracht van het Verre universum. NASA, ESA, H. Teplitz en M. Rafelski (Ipac / Caltech), A. Koekemoer (STScI), R. Windhorst (Arizona State University), en Z. Levay (STScI)

bovenstaande afbeelding is het Hubble eXtreme Deep Field (XDF), het diepste beeld van het Verre universum ooit gemaakt. Er zijn duizenden sterrenstelsels in dit beeld, op een grote verscheidenheid aan afstanden van ons en van elkaar. Wat je niet kunt zien in eenvoudige kleur, is dat elk sterrenstelsel een spectrum heeft dat ermee verbonden is, waar gaswolken licht absorberen bij zeer specifieke golflengten, gebaseerd op de eenvoudige fysica van het atoom. Als het heelal uitdijt, strekt die golflengte zich uit, zodat de verder verwijderde sterrenstelsels roder lijken dan ze anders zouden doen. Die fysica stelt ons in staat om hun afstand af te leiden, en ziehier, wanneer we afstanden aan hen toewijzen, zijn de verste sterrenstelsels de jongste en kleinste van allemaal.voorbij de sterrenstelsels verwachten we dat er de eerste sterren zijn, en dan niets anders dan neutraal gas, wanneer het heelal nog niet genoeg tijd had gehad om materie in dichte Staten te trekken om een ster te vormen. Miljoenen jaren geleden was de straling in het heelal zo heet dat neutrale atomen zich niet konden vormen, wat betekent dat fotonen continu op geladen deeltjes stuiterden. Als neutrale atomen gevormd werden, zou dat licht voor altijd in een rechte lijn moeten stromen, onaangetast door iets anders dan de expansie van het universum. De ontdekking van deze overgebleven gloed — de kosmische Microgolfachtergrond — meer dan 50 jaar geleden was de ultieme bevestiging van de oerknal.

markeren reionisatie. Voordat sterren of sterrenstelsels gevormd werden, was het heelal vol met lichtblokkerende, neutrale atomen. Hoewel het grootste deel van het universum pas 550 miljoen jaar later wordt gereioniseerd, worden enkele gelukkige gebieden meestal eerder gereioniseerd. Credit: S. G. Djorgovski et al., Caltech Digital Media Center

dus vanaf waar we nu zijn, kunnen we kijken in elke richting die we willen en zien hetzelfde kosmische verhaal ontvouwen. Vandaag, 13,8 miljard jaar na de oerknal, hebben we de sterren en sterrenstelsels die we vandaag kennen. Vroeger waren sterrenstelsels kleiner, blauwer, jonger en minder geëvolueerd. Daarvoor waren er de eerste sterren, en daarvoor alleen neutrale atomen. Voor neutrale atomen was er een geïoniseerd plasma, dan nog eerder waren er vrije protonen en neutronen, spontane creatie van materie-en-antimaterie, vrije quarks en gluonen, alle onstabiele deeltjes in het standaardmodel, en tenslotte het moment van de oerknal zelf. Kijken naar grotere en grotere afstanden is gelijk aan kijken helemaal terug in de tijd.

waarneembaar universum. Sterrenstelsels maken plaats voor grootschalige structuur en het hete, dichte plasma van de oerknal aan de rand. Deze ‘rand’ is een grens alleen in de tijd. Wikipedia-gebruiker Pablo Carlos Budassi

hoewel dit ons waarneembare universum definieert-met de theoretische grens van de Big Bang op 46,1 miljard lichtjaar van onze huidige positie-is dit geen echte grens in de ruimte. In plaats daarvan is het gewoon een grens in de tijd; er is een limiet aan wat we kunnen zien omdat de lichtsnelheid informatie slechts zo ver laat reizen over de 13,8 miljard jaar sinds de hete oerknal. Die afstand is verder dan 13,8 miljard lichtjaar omdat het weefsel van het universum is uitgebreid (en blijft uitbreiden), maar het is nog steeds beperkt. Maar hoe zit het met voorafgaand aan de oerknal? Wat zou je zien als je op de een of andere manier naar de tijd ging, slechts een fractie van een seconde eerder dan toen het universum op zijn hoogste energieën was, heet en dicht, en vol materie, antimaterie en straling?

het waarneembare universum waartoe we toegang hebben. De schommelingen van de inflatie hebben de zaden geplant die groeiden in de structuur die we vandaag hebben. Bock et al. (2006, astro-ph/0604101); modificaties door E. Siegel

je zou vinden dat er een toestand was die kosmische inflatie werd genoemd: waar het heelal razendsnel uitdijde … en gedomineerd werd door energie die inherent is aan de ruimte zelf. De ruimte breidde exponentieel uit gedurende deze tijd, waar het plat werd uitgerekt, waar het overal dezelfde eigenschappen kreeg, waar reeds bestaande deeltjes allemaal werden weggeduwd, en waar fluctuaties in de kwantumvelden die inherent zijn aan de ruimte over het universum werden uitgerekt. Toen de inflatie eindigde waar we nu zijn, vulde de hete oerknal het universum met materie en straling, wat leidde tot het deel van het universum — het waarneembare universum — dat we vandaag zien. 13,8 miljard jaar later zijn we hier.

jaren in alle richtingen vanuit ons oogpunt, maar er is zeker meer, niet waarneembaar universum, misschien zelfs een oneindige hoeveelheid, net als het onze voorbij dat. Frédéric MICHEL en Andrew Z. Colvin, geannoteerd door E. Siegel

het ding is, er is niets bijzonders aan onze locatie, noch in de ruimte, noch in de tijd. Het feit dat we 46 miljard lichtjaren verder kunnen zien maakt die grens of die locatie niet bijzonder; het markeert gewoon de grens van wat we kunnen zien. Als we op de een of andere manier een “momentopname” konden maken van het hele universum, veel verder dan het waarneembare deel, zoals het 13,8 miljard jaar na de oerknal overal bestaat, zou het er allemaal uitzien zoals ons nabije universum dat nu doet. Er zou een groot kosmisch web zijn van sterrenstelsels, clusters, filamenten en kosmische holtes, die zich ver buiten het relatief kleine gebied uitstrekken dat we kunnen zien. Elke waarnemer, op elke locatie, zou een universum zien dat erg lijkt op het universum dat we zien vanuit ons eigen perspectief.

toont nabijgelegen sterren en sterrenstelsels die langs de weg worden gezien, maar de sterrenstelsels dichter bij de buitenste gebieden worden gewoon gezien in een jongere, vroege fase van de evolutie. Vanuit hun perspectief zijn ze 13,8 miljard jaar oud (en meer geëvolueerd), en we verschijnen zoals we miljarden jaren geleden deden. NASA, ESA, het GOODS Team en M. Giavalisco (STScI/University of Massachusetts)

de individuele details zouden anders zijn, net zoals de details van ons eigen zonnestelsel, melkwegstelsel, lokale groep, enzovoort, verschillend zijn vanuit het oogpunt van elke andere waarnemer. Maar het universum zelf is niet eindig in volume; het is alleen het waarneembare deel dat eindig is. De reden daarvoor is dat er een grens in de tijd is — de oerknal-die ons scheidt van de rest. We kunnen die grens alleen benaderen door middel van telescopen (die kijken naar eerdere tijden in het universum) en door middel van theorie. Totdat we weten hoe we de voorwaartse stroom van tijd kunnen omzeilen, zal dat onze enige benadering zijn om de “rand” van het universum beter te begrijpen. Maar in de ruimte? Er is helemaal geen rand. Voor zover we kunnen zien, zou iemand aan de rand van wat we zien ons gewoon zien als de rand in plaats daarvan!

stuur je ask Ethan vragen naar startswithabang op gmail dot com!

Volg mij op Twitter. Bekijk mijn website of een aantal van mijn andere werk hier.