Het heelal vanuit menselijk perspectief

In onze leefomgeving op planeet Aarde zijn we gewend aan afstanden van meters of kilometers, materie met dichtheden variërend tussen die van lucht en metalen, en temperaturen die niet verder dan enkele tientallen graden afwijken van het vriespunt van water. Als mensen denken we in tijdschalen tot ongeveer een eeuw, maar meestal veel korter. Het contrast met het heelal als geheel is enorm. Vanuit kosmisch perspectief is de Aarde in vele opzichten een bijzondere plaats, sterk afwijkend van de norm.

Vanaf de Aarde zien we maximaal enkele duizenden sterren met het blote oog, plus een handvol planeten, en natuurlijk de Zon en de Maan. Als we het zonnestelsel verlaten blijven alleen de sterren over. Deze sterren zijn onze naaste buren in ons sterrenstelsel, de Melkweg. Echter, vanaf vrijwel elke plaats in het heelal is er helemaal niks te zien: niet één ster, laat staan meer heldere hemellichamen. Zelfs andere sterrenstelsels, waarvan je er (als je geluk hebt) enkele kunt zien op Aarde als zwakke nevels, zijn bijna overal afwezig.

Natuurlijk is het geen toeval dat wij in een van de zeldzame locaties (ongeveer een miljoenste van het heelal) leven waar wél sterren te zien zijn. Leven zoals dat op Aarde kan niet ontstaan in de praktisch lege ruimte waaruit bijna het hele heelal bestaat. Na de Oerknal was materie gelijkmatig verdeeld, maar sindsdien heeft het zich onder invloed van zwaartekracht sterk samengeklonterd tot hoge lokale dichtheden in de vorm van groepen sterrenstelsels, en wij leven in een van deze relatief kleine gebiedjes. Daartussen bevinden zich gigantische gebieden van vrijwel lege ruimte.

Het heelal is niet alleen volledig donker op veruit de meeste plaatsen, maar ook ijskoud. In de afwezigheid van sterren, en dus warmtebronnen, ligt de temperatuur slechts 3 graden boven het absolute nulpunt (dus zo’n -270 graden Celsius). Dit is namelijk de temperatuur van de `achtergrondstraling’, straling die kort na de Oerknal ontstond en overal aanwezig is.

Het heelal is dus koud, donker, leeg… maar vooral groot.

Ga maar na: de gemiddelde dichtheid van het heelal komt overeen met enkele waterstofatomen per kubieke meter. Dit is niet wegens een gebrek aan massa; het zichtbare heelal^[1] herbergt naar schatting zo’n 100 miljard sterrenstelsels, die op hun beurt rond de 100 miljard sterren bevatten. Een gemiddelde ster weegt 100.000 keer zoveel als de Aarde. Daarnaast is er nog een grotere hoeveelheid massa in de vorm van geheimzinnige donkere materie en donkere energie. Niettemin is de gemiddelde dichtheid van het heelal extreem laag: ruimte is nog veel overvloediger dan massa.

Als we de leeftijd van het heelal vergelijken met haar afmeting, ontdekken we dat het heelal eerder groot dan oud is. Het volume van het zichtbare heelal is gelijk aan 10⁸² (een 1 met 82 nullen) keer het volume van een mens. De leeftijd van het heelal, daarentegen, is slechts 100 miljoen (10⁸) keer de typische leeftijd van een mens. Een ander voorbeeld: de leeftijd van de Aarde beslaat maar liefst een derde van de leeftijd van het heelal, maar het volume van de Aarde is volledig verwaarloosbaar in het heelal. Dit verschil is wel heel extreem, en heeft twee redenen: de naar menselijke maatstaven hoge lichtsnelheid (zo’n 300.000 kilometer per seconde) en het aantal ruimtelijke dimensies van het heelal (drie). De lichtsnelheid is nauw gerelateerd aan de snelheid waarmee het heelal uitzet, en het aantal dimensies van de ruimte zorgt ervoor dat een grote verhouding tussen afstanden leidt tot een nog veel grotere verhouding tussen volumes.

Chemische samenstelling

Ten slotte is er nog een groot verschil tussen de chemische elementen die we op Aarde tegenkomen en degene die het meest voorkomen buiten de Aarde. Een mens bestaat voor ongeveer twee derde uit zuurstof (per massa-eenheid). Dit komt doordat we vooral uit water bestaan. De rest is vooral koolstof en waterstof, en in mindere mate stikstof, calcium en fosfor. Zuurstof is met zo’n 50% ook het meestvoorkomende element in de aardkorst, gevolgd door silicium, aluminium en ijzer (gesteente bestaat voor een groot gedeelte uit silicium dioxide).

Nu naar het heelal: hier komen we juist vooral de lichtste elementen waterstof (74%) en helium^[2] (24%) tegen, die al kort na de Oerknal zijn gevormd. Zwaardere elementen als koolstof, zuurstof en ijzer zijn gevormd bij kernfusie in sterren, en tijdens explosies van zware sterren (supernova’s). Zij vormen twee procent van alle elementen in het heelal. De reden dat de Aarde juist hoge concentraties van deze elementen bevat maar (relatief) weinig waterstof en helium is dat deze lichte elementen zijn weggeblazen door de zonnewind kort na de vorming van de Aarde. In de zware planeten verder weg van de Zon, zoals Jupiter, komen deze wel volop voor.

Noten
[1] Het zichtbare heelal is het gedeelte van het heelal van waaruit informatie ons heeft kunnen bereiken sinds de Oerknal. Hoe groot het heelal als geheel is, en of haar volume überhaupt eindig is, is onbekend.
[2] Helium is nota bene voor het eerst ontdekt in het spectrum van de Zon (vandaar de naam). In 1868 vond men tijdens een zonsverduistering een lijn op een specifieke golflengte in dit spectrum die duidde op de aanwezigheid van een toen onbekend element.