Het begin van het heelal wordt beschreven door de oerknal: een moment, ongeveer 13,8 miljard jaar geleden, waarop ruimte, tijd, materie en energie tegelijk ontstonden uit een toestand van onvoorstelbaar hoge dichtheid en temperatuur. Niet een explosie in een bestaande ruimte, maar het ontstaan van ruimte zélf. Alles wat we vandaag om ons heen zien, van sterren tot planeten tot atomen, stamt uit dat ene eerste moment.
De oerknal is geen vermoeden meer. Wetenschappers hebben daar meerdere sterke aanwijzingen voor, en de grote lijnen zijn goed begrepen. Tegelijk blijft de allereerste fractie van een seconde omhuld in onzekerheid, want op dat extreme punt faalt onze huidige natuurkunde nog.
Wat de oerknal precies was (en wat niet)
De naam “oerknal” wekt het idee van een explosie ergens in de ruimte. Dat klopt niet helemaal. Er was geen ruimte voordat de oerknal plaatsvond. Ruimte en tijd zijn zelf een product van dat eerste moment. De oerknal was het begin van alles, inclusief tijd zelf. Er is dus geen zinvol antwoord op de vraag “wat was er vóór de oerknal?”, omdat er geen “vóór” bestond.
Direct na de oerknal was het heelal kleiner dan een atoom, en de temperatuur lag hoger dan elk getal dat in het dagelijks leven betekenis heeft. In de eerste seconden koelde het snel af, waardoor de eerste elementaire deeltjes konden ontstaan: quarks, die zich samenvoegden tot protonen en neutronen.
De eerste minuten en jaren na het begin van het heelal
Binnen de eerste drie minuten na het begin van het heelal vormden protonen en neutronen zich samen tot de eerste atoomkernen, vooral waterstof en helium. Dit proces heet primoriale nucleosynthese. Ongeveer 75% van alle gewone materie in het heelal bestaat nog altijd uit waterstof, zo’n 25% uit helium. Dat is precies wat de theorie voorspelt, en metingen bevestigen dat keer op keer.
Pas zo’n 380.000 jaar na de oerknal koelde het heelal genoeg af om elektronen en atoomkernen aan elkaar te laten binden. Dat leverde neutrale atomen op. Op dat moment werd het heelal ook doorzichtig voor licht. De straling die daarbij vrijkwam, is nog steeds meetbaar als de kosmische achtergrondstraling, een zwakke gloed van microgolven die het hele heelal vult. De ontdekking daarvan in 1965, door Arno Penzias en Robert Wilson, was een van de sterkste bewijzen voor de oerknaltheorie.
Hoe weten we dit?
Er zijn drie pijlers die de oerknaltheorie ondersteunen.
- De uitdijing van het heelal. Edwin Hubble ontdekte in 1929 dat sterrenstelsels van ons af bewegen, en hoe verder weg, hoe sneller. Dat betekent dat het heelal groeit. Draai je die beweging terug in de tijd, dan kom je uit op een begin.
- De kosmische achtergrondstraling. Deze zwakke straling is de “nagloed” van het hete jonge heelal. De temperatuur ervan is gemeten op 2,725 graden boven het absolute nulpunt, en de verdeling past precies bij de voorspellingen van de oerknaltheorie.
- De verhouding van lichte elementen. De hoeveelheden waterstof, helium en lithium in het heelal kloppen precies met wat de oerknaltheorie berekent voor de eerste minuten.
Geen van deze drie aanwijzingen staat op zichzelf, maar samen vormen ze een consistent geheel dat door decennia van metingen is bevestigd.
Wat we nog niet weten over het allereerste begin
Het allereerste moment, het zogenaamde Planck-tijdperk dat duurt van nul tot ongeveer 10 tot de macht min 43 seconde, valt buiten het bereik van de huidige fysica. Onze kennis van kwantummechanica en de zwaartekracht sluiten op dat schaalniveau niet op elkaar aan. Wat er op dat allereerste moment precies gebeurde, is dus nog onbekend.
Ook de inflatie, een theoretische periode van extreem snelle uitdijing direct na de oerknal, is nog niet direct bewezen. De inflatiehypothese verklaart waarom het heelal zo uniform is in alle richtingen, maar directe meetbare sporen ervan zijn nog niet gevonden.
Donkere materie en donkere energie, samen goed voor ruim 95% van de totale inhoud van het heelal, zijn evenmin begrepen. Ze spelen een grote rol in hoe het heelal zich na de oerknal heeft ontwikkeld, maar wat ze precies zijn, is nog steeds een open vraag.
Van het begin tot de eerste sterren
Na de vorming van de eerste atomen volgde een periode die astronomen de “kosmische donkere eeuwen” noemen. Er was wel materie, maar nog geen licht van sterren. Gaswolken, voornamelijk uit waterstof, trokken langzaam samen door de zwaartekracht. Na zo’n 100 tot 200 miljoen jaar werden die wolken dicht genoeg om de eerste sterren te laten oplichten. Dat waren enorme, hete sterren die snel weer explodeerden en daarbij zwaardere elementen als koolstof, zuurstof en ijzer de ruimte in slingerden. Zonder dat eerste begin was er geen ruimte geweest voor die elementen, en daarmee ook niet voor planeten of leven.
Het begin van het heelal is dus niet alleen een abstracte vraag voor kosmologen. Het is het verhaal van hoe alle bouwstenen die jij en ik zijn opgebouwd, zijn ontstaan. Wie meer wil weten over hoe het heelal zich daarna heeft ontwikkeld, vindt in de vorming van sterrenstelsels en de structuur van het huidige heelal het logische vervolg op dit verhaal.
