Mocht een kind je vragen hoe groot het universum precies is, dan zul je het misschien wel fijn vinden om te weten wat het eerlijkste antwoord daarop is. Hoewel er vooralsnog geen echte manier bestaat om het met zekerheid te weten, hebben we niettemin gave dingen als telescopen en wiskunde tot onze beschikking. Als het gaat om het maken van een schatting van wat we zien als we omhoog kijken, komen ze enorm van pas.
Waarneembaar heelal
Stel je voor dat je in het pikkedonker zweeft. Je hebt geen idee van waar je je bevindt. Gelukkig heb je een verrekijker in de linkerzak van je ruimtepak. Terwijl je ogen zich aanpassen aan de lenzen begin je langzaamaan een zwak lichtpuntje te onderscheiden. En dan herinner je je weer dat je nog een uitschuifbare telescoop in je andere zak hebt zitten. Als een piraat in de nacht staar je door de kijker. Je komt tot de ontdekking dat het geen lichtpuntje was maar een hele zwerm lichtpunten.
Je besluit in alle richtingen om je heen te te kijken en, aangezien je in het midden van, nou ja, niks zweeft, kun je zelfs onder je voeten kijken. Al scannende ontdek je dat er zich een schier ontelbare hoeveelheid groepen van lichtpunten om je heen bevinden, als een bolvormige schil om je heen met jou in het middelpunt.
De waardevolle natuurkundelessen leerden je dat het licht een bepaalde maximumsnelheid heeft, dus je beseft dat er misschien nog veel meer gegroepeerde lichtpunten zich om je heen bevinden, nog verder dan die je nu ziet, maar dat het licht daarvan je nog niet heeft kunnen bereiken.
Het gebied van het universum dat je in principe kunt zien — slechts beperkt door de snelheid van het licht en niet of we al dan niet over de technologie beschikken — is wat we het waarneembare heelal noemen. In feite is dit het type werk dat we de Hubble Telescoop laten doen.
Nu komt het lastige: het universum zou veel groter kunnen zijn dan het waarneembare deel, maar we kunnen niet weten hoeveel groter precies omdat het hoogst onwaarschijnlijk is dat dit licht, afkomstig van voorbij wat we nu kunnen waarnemen, ons ooit zal kunnen bereiken. Dat komt omdat het heelal rap uitdijt in een steeds hoger tempo. Per seconde komt er meer ruimte bij dan het licht kan afleggen.
Wat betreft het middelpunt zijn in de bolvormige schil van je waarneming, denk nog even terug aan de lege ruimte waar je in zweeft. Als je om je heen kijkt, is die schil overal even ver van jou vandaan. En als je een eindje zou bewegen naar een andere plek, verschuift die waarnemingsschil met je mee. Je bent dus altijd het middelpunt van je eigen observatiebubbel.
Datzelfde principe geldt ook voor onze plek, Aarde, in het waarneembare universum. En dan doel ik niet op de sociaal-psychologische informatiebubbels van het internet, ik bedoel het letterlijk, fysiek, feitelijk. Dit is overigens niet hetzelfde als zeggen dat we ons in het centrum van het universum bevinden, want er is geen centrum van het universum. Je bevindt je wel altijd in het centrum van het waarneembare universum. Daar ligt het verschil.
Versnelde uitdijing
Licht afkomstig van voorbij het waarneembare deel kan ons niet bereiken omdat het universum uitdijt – cosmologen spreken ook wel van expansie. Bovendien neemt de snelheid waarmee dat gebeurt alsmaar toe. Per seconde komt er meer ruimte bij dan het licht kan afleggen.
Stel je voor dat je je in een droom bevindt. Je staat in de smalle gang van een hotel. Je besluit om naar de deur aan het uiteinde van de gang te lopen. Stel je nu voor dat de gang plotseling langer wordt. De muren aan weerszijden worden niet alleen optisch uitgerekt, maar het materiaal waar ze uit bestaan ondergaat een naadloze vermenigvuldiging. Ondertussen beweeg je je voort, maar je verplaatst je niet veel. Het tempo waarmee de gang langer wordt is groter dan het tempo waarmee jij vooruit komt.
Dit is wat een eenzaam foton – een lichtdeeltje – moet ervaren, uitgezonden door een verre ster, onderweg naar ons, maar ons nooit bereikend omdat de ruimte waar het doorheen reist uitdijt. Merk op dat de deur in de GIF hierboven niet zelf beweegt, het is de ruimte – de structuur van het hotel – die uitdijt! De deur is een metafoor voor afgelegen sterrenstelsels. Sterrenstelsels bewegen zich niet in de ruimte van ons af, het is de ruimte zelf die groter wordt.
Geschatte omvang
Met het huidige expansietempo en gegeven de leeftijd van het universum wordt de diameter van het waarneembaar heelal geschat op 93 miljard lichtjaar. Dat is ongeveer 880 000 000 000 000 000 000 000 kilometer.
Dit betekent dat het volume ongeveer gelijk is aan 400 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 liter ($ 4 \times 10^{83} $ l).
De aarde heeft een volume van ongeveer 108 300 000 000 000 000 000 000 liter. Daarmee neemt het ongeveer 0.000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 003
De omvang van het universum is daarentegen onbekend. Het zou eindig kunnen zijn, het zou oneindig kunnen zijn. Op dit moment is er geen reden om welke van deze twee ook als correct te beschouwen.
ESO-animatie
De European Southern Observation (ESO) en anderen hebben een mooie animatie gemaakt. We vliegen achteruit vanaf het ESO Supernova Planetarium & Bezoekerscentrum bij het ESO-hoofdkwartier in Garching bei München tot naar een plek in het universum waar we schier ontelbare sterrenstelsels kunnen zien. Realiseer je hierbij dat, zodra je in de video ons sterrenstelsel verlaat, waarbij het zelf begint te lijken op een ster, iedere ‘ster’ eigenlijk een compleet ander sterrenstelsel is. Uiteraard eindigt de clip met een fade-out omdat we niet weten of het heelal een grens heeft of dat het oneindig lang zo doorgaat.
Epiloog
De scherpe lezer zal hebben opgemerkt dat we wel hebben beschreven hoe groot het waarneembaar heelal is, maar nog niet wat we precies zien als we naar het uiterste randje daarvan kijken – voorzover de huidige technologie ons toestaat.
Omdat het zo’n lange tijd duurt voordat dit licht ons bereikt heeft, is wat we zien al oud. We kijken naar het verleden, naar de geschiedenis van het heelal. Een blik in het heelal is als een tijdreis terug naar het verleden.
Dat verdient een artikel op zich. Daar hebben we nu helaas de ruimte noch de tijd voor.
Illustratie Waarneembaar heelal aangepast op basis van het werk van Strogoff dat gepubliceerd werd onder CC BY-SA 3.0.
