Astronomie: een boeiend avontuur

In de vorige eeuw heeft de wetenschap een grote ontwikkeling meegemaakt. Tal van ontdekkingen hebben ervoor gezorgd dat ook de astronomie een indrukwekkende evolutie heeft gekend. Al wie decennia geleden nog in één of ander verband astronomie heeft gestudeerd, is vandaag in een andere wereld terecht gekomen, in een ongemeen boeiende wereld...

Onze band met het universum

Vroeger werd astronomie dikwijls bestempeld als een saaie bedoening, een vak dat te herleiden was tot een compendium van wiskundige formules of een verzameling van abstracte begrippen. Dat kan in het verleden misschien zo geweest zijn, maar vandaag is dit zeker niet meer het geval. Astronomie heeft de laatste eeuw een nieuwe dimensie gekregen: ze is geëvolueerd tot een boeiend menselijk avontuur, een avontuur waarin wij op zoek zijn gegaan naar antwoorden op de vele vragen die wij ons stellen over het universum. Kosmologie en kosmogonie zijn deel gaan uitmaken van ons dagelijks jargon.

Die evolutie in de astronomie kwam er in een exponentieel tempo. Nog niet eens zo lang geleden ontdekten wij dat het universum niet altijd bestaan heeft. Gedurende vele eeuwen bleef de mensheid geboeid door het wereldbeeld van Plato. Volgens deze Griekse filosoof was ons universum eeuwig en statisch en konden wij enkel een schaduwbeeld van de realiteit ervan opvangen. Tot in de achttiende eeuw was aan dit wereldbeeld eigenlijk niet zoveel veranderd. Ook voor Newton, één van de allergrootste wetenschappelijke genieën die de wereld ooit gekend heeft, was het universum eeuwig en onveranderlijk.

Een evoluerend heelal

Het was pas in de twintigste eeuw dat Albert Einstein en Georges Lemaître ons openbaarden dat het universum niet eeuwig en ook niet onveranderlijk was. Het universum werd van dan af beschouwd als een evoluerende realiteit, met ook een begin. Zowat 13,7 miljard jaar geleden was het ontstaan uit een soort 'oeratoom'. Uit dit oeratoom was vervolgens materie en antimaterie ontstaan die elkaar vernietigden. Om één of andere reden is er toen een klein overschot aan materie geweest dat niet vernietigd werd. Het is uit deze overblijvende materie dat, over miljarden jaren heen, atomen, gaswolken, sterren en sterrenstelsels zich ontwikkeld hebben. Hieruit is dan uiteindelijk het universum ontstaan zoals wij het vandaag kennen. Een universum dat nu afgekoeld is tot - 273° C.

In die 13,7 miljard jaar oude geschiedenis van het heelal zijn wij, mensen, pas zeer laat verschenen. Mocht men de ouderdom van het heelal herleiden tot 1 dag, dan zou, alle proporties in acht genomen, de moderne mens de allerlaatste seconde verschenen zijn. En die eerste homo sapiens was toen nog verre van in staat om na te denken over het universum. Het zou nog honderdduizenden jaren duren eer er een Socrates geboren werd die "wist dat hij niet wist". En ook vandaag is dat adagium nog waar, zeker als het over astronomie gaat.

Wat is het heelal?

In dit heelal zijn wij dus ontstaan. Dit heelal, zoals wij het vandaag kennen, is onze geschiedenis, onze boeiende geschiedenis. Maar is de verklaring van het ontstaan van ons heelal, zoals de wetenschap ons vandaag leert, wel de juiste? Niemand weet het. Elke wetenschappelijke waarheid is per definitie tijdelijk en biedt nooit een absolute zekerheid. Misschien worden wij morgen geconfronteerd met nieuwe vragen of bevindingen die ons zullen verplichten onze zienswijze over het universum grondig aan te passen. Wetenschap tast voortdurend nieuwe horizonten af, en nieuwe horizonten aftasten is nooit zonder gevaren. Zeker is dat wat de kosmologie ons vandaag leert de minst slechte verklaring is voor de vele vragen die het universum ons stelt.

Nieuw is dat de moderne kosmologie zich vandaag niet alleen vragen stelt over wat er zich allemaal in het heelal afspeelt. Zeker, onderzoek naar de beweging van de planeten rond de Zon of naar de vorming van sterrenstelsels blijft noodzakelijk. Maar tegenwoordig stelt men zich voor het eerst ook vragen over het heelal zelf. Wat is het heelal? Hoe kon het ontstaan? Was er iets vóór het heelal? Of, met de woorden van de Duitse wiskundige en filosoof Gottfried Leibniz: "Waarom is er iets en niet niets?".

Experimenteren om te weten

Antwoorden vinden op vragen over het universum zelf is niet eenvoudig. Het universum is immers uniek. Men kan het niet reproduceren, men kan het niet opnieuw laten ontstaan om na te gaan of we wel de juiste conclusies hebben getrokken uit de waarnemingen waarover wij beschikken. In andere takken van de wetenschap is dat wel mogelijk. De valbeweging is er een treffend voorbeeld van. Tot in de zestiende eeuw dacht men dat zwaardere voorwerpen vlugger vielen. Het was ook wat men dacht waar te nemen. Toch zag Galilei het anders. Hij stelde nieuwe wetten voor de valbeweging op die op het eerste gezicht niet overeen kwamen met wat wij konden waarnemen. Maar dat is maar schijn. Volgens Galilei vielen alle voorwerpen even snel, en de verschillende valsnelheden die wij vaststellen zijn enkel te wijten aan externe factoren zoals wrijving en weerstand. Ook vandaag nog kan men zelf proefondervindelijk aantonen dat Galilei het bij het juiste eind had. De wetten van de valbeweging werden zelfs getest bij de eerste Maanlanding. Helaas, voor het universum is dergelijke redenering onmogelijk. Het universum is er gewoon!

Het universum is niet alleen uniek, het is daarbij moeilijk waar te nemen. Sterrenstelsels liggen op afstanden die ons begripsvermogen overstijgen. We spreken in astronomie nogal gemakkelijk over miljoenen lichtjaren, maar dergelijke afstanden kunnen we ons onmogelijk concreet voorstellen. Eén enkel lichtjaar bedraagt reeds net iets minder dan 10.000 miljard of 10 biljoen km. Sterren van dichtbij gadeslaan is dus onmogelijk en dit zal zo blijven. Sommige sterren staan zelfs zover weg dat ze reeds verdwenen zijn op het ogenblik dat hun licht ons bereikt.

Zichtbaar en onzichtbaar licht

Licht is de bijzonderste informatiebron die wij van sterren ontvangen. Dit licht is verspreid over een brede waaier van golflengten, gaande van radiogolven tot gammastralen. Maar van die brede waaier licht kunnen wij amper iets 'zien': onze ogen zijn maar gevoelig voor ongeveer 1/10²⁶ van het volledige lichtspectrum dat wij van sterren ontvangen, en dit is, vergeleken met de doorsnede van ons melkwegstelsel, niet veel meer dan een haardikte. Wij zijn dus quasi volledig blind voor het lichtspectrum van sterren. De uitspraak "l'essentiel est invisible pour les yeux" van Antoine de Saint Exupéry  is hier zeker op zijn plaats. Gelukkig bestaan er moderne technieken om ook informatie te halen uit golflengten waarvoor onze ogen ongevoelig zijn.

Niettegenstaande deze vele obstakels heeft de kosmologie zich de laatste eeuw toch razendsnel ontwikkeld. Er was zeker de evolutie van de moderne technologie, denk aan de spectaculaire beelden die de COBE-satelliet (Cosmic Background Explorer) ons in 1989 openbaarde en waarop een jong heelal te zien was toen het amper 380.000 jaar oud was. Maar er was niet alleen de technologie. Onze kennis hebben we in de eerste plaats te danken aan grote denkers en durvers: Plato, Galilei, Copernicus, Kepler, Maxwell, Newton, Bohr  en zovele anderen werkten steen voor steen aan de opbouw van ons beeld van het heelal. Tot die groten behoren zeker ook Einstein en Lemaître, die in de twintigste eeuw hun stempel hebben gedrukt op de kosmologie. Op het einde van de negentiende eeuw waren de fysica en de kosmologie hoofdzakelijk vastgelegd in de theorie die Newton ontwikkeld had. En het gezag van Newton was zo groot dat niemand het in twijfel durfde trekken. Toch zouden Einstein en Lemaître de status van het wereldbeeld volgens Newton grondig aantasten.   

Een vervormbaar heelal

Einstein was uitermate geboeid door het bedenken en uitvoeren van gedachte-experimenten. Zijn theorieën ontwikkelde hij ook heel alleen, zonder contact met de academische wereld of met prominente professoren. In 1905 - hij was toen nog een onbekend ambtenaar op het patentenbureau in het Zwitserse Bern - verhief hij de lichtsnelheid c tot een absolute natuurconstante, met als gevolg dat de begrippen afstand en tijd tot veranderlijke, relatieve grootheden werden gedegradeerd. In 1915 zette hij een nog grotere stap. Volgens Einstein was de geometrie van het heelal niet wat wij dachten. Volgens hem was de ruimte gekromd, en die kromming wordt voortdurend bepaald door de aanwezige massa.

Dit was volledig in tegenspraak met de klassieke theorie van Newton, voor wie de ruimte een star en onveranderlijk gegeven was. In de ruimte van Newton werd de baan van een voorwerp bepaald door de alles overheersende zwaartekracht. Volgens Einsteins nieuwe theorie volgde de Maan gewoon een baan in een ruimte die gebogen werd door de aanwezigheid van de Aarde. Al klopten Einsteins beweringen niet met de op het eerste gezicht waargenomen realiteit - zoals dit ook het geval was geweest bij de valbeweging - toch werden zij kort daarop ter gelegenheid van een zonsverduistering proefondervindelijk bewezen.  

Ontstaan van het heelal

In dezelfde context hoort ook de figuur van Georges Lemaître. Hij was iemand die Einsteins relativiteitstheorie goed kende en ook op een consequente manier durfde doordenken over de gevolgen ervan voor de kosmologie. Dat was iets wat Einstein zelf niet wilde of durfde doen. Onbegrijpelijk voor iemand als Einstein dat hij niet durfde geloven in de kracht van zijn eigen theorie. Toen Lemaître in 1927, samen met Vesto Slipher, voor het eerst de roodverschuiving in het spectrum van sterrenstelsels kon waarnemen, legde hij dit fenomeen niet uit als sterrenstelsels die zich van elkaar verwijderen, maar wel, op grond van de relativiteitstheorie, als een bewijs dat het heelal zelf uitdijt. Ook dit was dus volledig in tegenspraak met de klassieke theorie van Newton. Waarom Einstein zelf nog een tijd bleef geloven in een statisch heelal blijft tot op de dag van vandaag een mysterie.

Maar Lemaître liet het daar niet bij: als het heelal nu uitdijt, dan moest het volgens hem in het verleden ooit zeer klein geweest zijn. Ooit moet er een oeratoom geweest zijn, een pakketje energie, waaruit de materie onder de vorm van quarks, elektronen en andere deeltjes ontstaan is. Het is uit die elementaire deeltjes dat de materie zich dan verder heeft ontwikkeld tot wat het heelal vandaag geworden is. De Big Bang-theorie was geboren!

Geheimen van de kosmos

Voor het eerst durfde men wetenschappelijk nadenken over een heelal dat ooit een begin had. Aanvankelijk werd de visie van Lemaître over het heelal met veel argwaan benaderd. Tal van vragen rezen. Wanneer was het heelal ontstaan? Wat was er daarvoor? Wat betekent het begin? Was het heelal ontstaan uit het niets? Voor een definitieve erkenning van zijn theorie zou Lemaître moeten wachten op de ontdekking, kort voor zijn dood in 1965, van de kosmische achtergrondstraling door Penzias en Wilson.

Dankzij Einsteins relativiteitstheorie en dankzij de oerknaltheorie van Lemaître ontdekten wij in de twintigste eeuw dat het universum een begin heeft gehad. Niettegenstaande deze enorme stap voorwaarts blijft kosmologie - zoals elke wetenschap trouwens - een menselijke onderneming. Een onderneming die ons beetje bij beetje de geheimen van het universum onthult. Waar die kosmische zoektocht ons uiteindelijk zal leiden weet niemand. Blijft een klare, duidelijke uitleg over het heelal voor ons een utopie?

Misschien had Plato het, meer dan twintig eeuwen geleden, bij het rechte eind en zal kosmologie in de eerste plaats een bron van verwondering blijven, een boeiend avontuur.

Tekst: Emile Beyens, 28 november 2021