Het idee dat het heelal een begin heeft gehad, is vandaag de dag bijna vanzelfsprekend. Toch is dat een relatief jonge gedachte in de wetenschapsgeschiedenis. Eeuwenlang namen filosofen en natuurkundigen aan dat het heelal eeuwig en onveranderlijk was. De ontwikkeling van de oerknaltheorie, het model dat stelt dat het heelal begon in een extreem heet en dicht punt en sindsdien uitdijt, is het resultaat van meer dan een eeuw aan revolutionaire ontdekkingen en gedurfde ideeën.
Voorbereiding: van Newton tot Einstein
Tot in de 19e eeuw werd het heelal vooral bekeken vanuit het perspectief van Isaac Newton. Zijn klassieke zwaartekrachtleer werkte uitstekend voor het beschrijven van de beweging van planeten en sterren. Toch worstelde men met een paradox: in een oneindig en statisch heelal zou de zwaartekracht er uiteindelijk voor moeten zorgen dat alles ineenstort. Omgekeerd, als de sterren al eeuwig zouden bestaan, waarom was de nachtelijke hemel dan niet volledig verlicht? Dit vraagstuk, bekend als het Olbers-paradox, bleef onopgelost. De echte doorbraak kwam in de 20e eeuw met Albert Einstein. Zijn algemene relativiteitstheorie (1915) herdefinieerde zwaartekracht als de kromming van ruimte en tijd door massa en energie. Daarmee kregen wetenschappers voor het eerst een wiskundig instrument om het heelal als geheel te beschrijven. Tot Einsteins verbazing voorspelden zijn vergelijkingen echter geen stabiel universum, maar een dynamisch: het moest óf uitdijen, óf inkrimpen. Omdat dat idee in strijd was met het toenmalige wereldbeeld, voegde hij een correctiefactor toe: de kosmologische constante.
De eerste uitdijingsmodellen
Een van de eersten die Einsteins vergelijkingen serieus toepaste op kosmologie was de Russische wiskundige Aleksandr Friedmann. In 1922 publiceerde hij modellen die aantoonden dat een uitdijend of krimpend heelal een logische oplossing was van de relativiteitsvergelijkingen. Friedmann liet zelfs zien dat de snelheid van de uitdijing afhankelijk kon zijn van de dichtheid van materie in het heelal. Hoewel zijn werk aanvankelijk weinig aandacht kreeg, legde het de wiskundige basis voor de oerknaltheorie. Een paar jaar later kwam de Belgische priester-astronoom Georges Lemaître onafhankelijk tot dezelfde conclusie. In 1927 stelde hij dat het heelal zich daadwerkelijk uitbreidt, en hij koppelde dit direct aan waarnemingen van verre sterrenstelsels. Twee jaar later ging hij nog een stap verder door te suggereren dat het heelal ooit was ontstaan uit een “kosmisch ei” of “oeratoom” dat explodeerde en de ruimte in beweging zette. Daarmee introduceerde hij een van de eerste concrete versies van de oerknalgedachte.
Hubble en het bewijs voor uitdijing
De theorie van Lemaître kreeg cruciale steun door het werk van de Amerikaanse astronoom Edwin Hubble. In 1929 publiceerde Hubble resultaten van zijn onderzoek met de 2,5-meter telescoop op Mount Wilson. Hij ontdekte dat verre sterrenstelsels zich van ons af bewegen, en dat hun snelheid recht evenredig is met hun afstand. Deze relatie, nu bekend als de wet van Hubble, leverde direct bewijs dat de ruimte zelf uitdijt. Einstein bezocht kort daarna Hubble en erkende dat zijn kosmologische constante “de grootste vergissing van zijn leven” was. Het idee van een dynamisch heelal was niet meer te negeren.
Controverse: steady state versus oerknal
Hoewel de waarnemingen wezen op een uitdijend universum, was niet iedereen overtuigd dat dit ook een beginpunt impliceerde. In de jaren 1940 en 1950 ontwikkelden Fred Hoyle, Hermann Bondi en Thomas Gold de steady-state theorie. Volgens dit model bleef het heelal eeuwig hetzelfde: terwijl de ruimte uitdijde, zou er voortdurend nieuwe materie ontstaan, zodat de gemiddelde dichtheid gelijk bleef. Hoyle gebruikte in 1949 de term “Big Bang” om de tegenovergestelde theorie, die van Lemaître en anderen, spottend te beschrijven. Ironisch genoeg werd deze bijnaam wereldwijd ingeburgerd als de officiële benaming. De controverse tussen steady state en oerknal beheerste decennialang de kosmologie.
De rol van kernfysica en nucleosynthese
In de jaren 1940 leverden natuurkundigen George Gamow, Ralph Alpher en Robert Herman een belangrijke bijdrage. Zij gebruikten kernfysica om te berekenen welke elementen tijdens de vroege minuten van het heelal gevormd moesten zijn. Hun theorie van primaire nucleosynthese voorspelde dat het heelal voornamelijk uit waterstof en helium moest bestaan, met slechts sporen van zwaardere elementen. Deze voorspellingen bleken later opvallend goed overeen te komen met waarnemingen. Daarnaast voorspelden zij dat, als het heelal werkelijk zo heet en dicht begon, er een restgloed van straling aanwezig moest zijn: een “achtergrondstraling” die het heelal zou vullen. Hun berekeningen verdwenen echter grotendeels in de vergetelheid, tot de jaren 1960.
De ontdekking van de kosmische achtergrondstraling
In 1965 stuitten de Amerikaanse ingenieurs Arno Penzias en Robert Wilson op een merkwaardige ruis in hun radiotelescoop. Waar ze hun antenne ook richtten, steeds hoorden ze hetzelfde signaal. Al snel werd duidelijk dat ze onbedoeld de voorspelde kosmische microgolfachtergrondstraling hadden ontdekt: het nagloeien van de oerknal, afkomstig uit de tijd dat het heelal nog maar 380.000 jaar oud was. Deze ontdekking sloeg de genadeklap toe aan de steady-state theorie en vestigde de oerknal als het toonaangevende kosmologische model. Penzias en Wilson ontvingen er in 1978 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor.
Precisiekosmologie: COBE, WMAP en Planck
Vanaf de jaren 1990 trad de kosmologie een nieuw tijdperk binnen. De satelliet COBE (Cosmic Background Explorer) mat de achtergrondstraling en bevestigde dat deze perfect overeenkwam met de voorspellingen van een heet oerknalmodel. In 2001 volgde de WMAP-satelliet, die de temperatuurverschillen in de straling veel gedetailleerder in kaart bracht. Deze minuscule fluctuaties bleken de zaden te zijn waaruit sterrenstelsels konden groeien. Het Europese ruimtevaartuig Planck (2009–2013) verfijnde deze metingen nog verder en bepaalde de leeftijd van het heelal tot ongeveer 13,8 miljard jaar. Daarmee kreeg de oerknaltheorie niet alleen bevestiging, maar ook een ongekende precisie.
Nieuwe vragen en hedendaagse uitdagingen
Hoewel de oerknaltheorie nu stevig staat, zijn er nieuwe vragen ontstaan. Zo suggereert de ontdekking van de versnelde uitdijing eind jaren 1990, toegeschreven aan een mysterieuze donkere energie, dat ons heelal complexer is dan gedacht. Ook de aard van donkere materie, die nodig is om de vorming van sterrenstelsels te verklaren, blijft onbekend. Daarnaast zoeken wetenschappers naar de oorsprong van de periode van inflatie, een extreem snelle uitdijing in de eerste fractie van een seconde na de oerknal. Deze zou de structuur van het heelal verklaren, maar direct bewijs ontbreekt nog.
