Het idee dat het heelal uitdijt met snelheden hoger dan die van het licht lijkt de ultieme snelheidslimiet te doorbreken. Dat is niet het geval. Maar het maakt het bepalen van de afstand in de ruimte wel een stuk lastiger dan alleen maar meten hoe lang het duurde voordat het licht arriveerde.
De ruimte blijft groeien terwijl fotonen onderweg zijn. Een sterrenstelsel zendt een lichtstraal uit. Dat foton snelt richting onze telescoop. Ondertussen rekt het weefsel van de ruimte ertussen uit. Tegen de tijd dat het licht de lens raakt, is het bronstelsel veel verder weg dan toen het licht aan zijn reis begon. Dit is niet alleen theoretisch. Daarom moeten astronomen op modellen vertrouwen om erachter te komen waar de dingen nu zijn.
Het licht toont ons het verleden. Niet het heden.
Om de huidige locatie van deze verre objecten in kaart te brengen, gebruiken we een kosmologisch raamwerk. Specifiek het Lambda-CDM (LCDM) -model. Het is verantwoordelijk voor donkere materie en donkere energie. We weten dat donkere materie een rol speelt (zie aparte aflevering). We weten dat donkere energie de versnelling aandrijft (nog een aflevering). Er bestaan alternatieve theorieën, maar deze verschuiven zelden de kernmechanismen van kosmische expansie voldoende om voor deze specifieke vraag van belang te zijn.
De rand van het waarneembare heelal definiëren
Laten we naar de cijfers kijken. Het heelal is ongeveer 13,77 miljard jaar oud. Het licht heeft zoveel tijd gehad om te reizen. Dus naïef zou je denken dat de rand van wat we kunnen zien zich op 13,77 miljard lichtjaar afstand bevindt.
Je zou het mis hebben.
Omdat de ruimte zich heeft uitgebreid gedurende de hele tijd dat het licht reisde, bevindt het object dat dat oudste licht uitstraalde zich nu op ongeveer 45 miljard lichtjaar afstand. Deze grens wordt de deeltjeshorizon genoemd. Kosmologen noemen het soms de komende horizon. Soms gebruiken ze gewoon de ‘kosmologische horizon’. De naam verandert met de stemming van de astrofysicus, niet met de natuurkunde.
45 miljard. Veel groter dan 13,77.
Betekent dit dat informatie sneller dan het licht reist? Nee. Het betekent dat de ruimte zelf uitbreidt. En ruimte is niet aan dezelfde regels gebonden als materie.
De lichtsnelheid is een lokale snelheidslimiet. Het bepaalt hoe snel objecten door de ruimte bewegen. Het beperkt niet hoe snel de ruimte zelf kan uitdijen. Je zult nooit een raket sneller dan c voorbij je raam zien vliegen. Maar als je naar twee verre sterrenstelsels kijkt, kunnen ze zich met elke snelheid van elkaar verwijderen. Ze bewegen zich niet door de ruimte in de traditionele zin van het woord. De ruimte ertussen wordt alleen maar groter.
Waarom roodverschuiving belangrijker is dan snelheid
Hoe weten we dat dit gebeurt? We meten de roodverschuiving.
Wanneer een sterrenstelsel zich van ons verwijdert, strekt het licht zich uit naar de rodere, langere golflengten van het elektromagnetische spectrum. Edwin Hubble gebruikte dit exacte fenomeen om te ontdekken dat het universum uitdijt. Hij zag dat verder weg gelegen sterrenstelsels een hogere roodverschuiving hadden.
Een hogere roodverschuiving betekent een snellere recessie.
In een uitdijend heelal zijn afstand en snelheid met elkaar verbonden. Hoe verder weg een object is, hoe meer ruimte er tussen jou en het object is. Meer ruimte betekent meer uitbreiding. En meer uitzetting betekent een hogere snelheid.
Er is een specifiek omslagpunt. Het wordt de Hubble-afstand genoemd. Het bevindt zich op ongeveer 13,77 miljard lichtjaar van de aarde. Objecten op deze afstand verwijderen zich met de snelheid van het licht.
Voorbij dat punt? Ze bewegen sneller dan het licht.
Is dit bedrog? Nee. Het is hoe de speciale relativiteitstheorie op kosmische schaal werkt. Lokaal gaat er niets boven licht. Wereldwijd? De ruimte kan doen wat hij wil.
De verborgen grens: de gebeurtenishorizon
We kunnen sterrenstelsels dus sneller zien terugtrekken dan het licht. Dat lijkt paradoxaal. Maar er zit een addertje onder het gras.
We zien alleen die verre, superluminaal terugwijkende sterrenstelsels omdat het licht dat we nu opvangen miljarden jaren geleden werd uitgezonden. Toen waren ze veel dichterbij. Ze bevonden zich binnen het bereik van onze telescopen.
Er is een harde grens aan hoeveel we kunnen zien. Het is niet de deeltjeshorizon (de grens van 45 miljard lichtjaar). Het is iets dichterbij en definitiever.
De kosmologische gebeurtenishorizon.
Deze grens bevindt zich op ongeveer 17 miljard lichtjaar afstand en scheidt de sterrenstelsels die we vandaag de dag kunnen zien van de sterrenstelsels die we nooit zullen zien, ongeacht hoe lang we wachten tot er nieuw licht arriveert. Licht dat nu van buiten deze lijn wordt uitgezonden, zal ons nooit bereiken. De expansie gaat te snel.
Donkere energie maakt deze limiet agressiever.
De versnellende expansie, aangedreven door donkere energie, zorgt ervoor dat de gebeurtenishorizon zich zal stabiliseren. Het zal licht groeien en uiteindelijk afvlakken op ongeveer 60 miljard lichtjaar. Maar verder? Duisternis.
De meest verre sterrenstelsels zullen uit hun bestaan verdwijnen. Hun licht zal zich uitstrekken tot golflengten die zo lang en zwak zijn dat ze niet meer waarneembaar zijn.
Dit is geen speculatie. Het is een voorspelling op basis van actuele gegevens. Als mensen (of wat er na ons komt) over ongeveer 100 miljard jaar nog steeds naar boven kijken, zal elk sterrenstelsel buiten onze Lokale Groep verdwenen zijn. Het universum zal er leeg uitzien. Gewoon onze eigen buurt in een zee van niets.
Het is een eenzame toekomst voor astronomen. Maar het komt overeen met de natuurkunde die we hebben. Het universum breidt zich uit. De ruimte strekt zich uit. En sommige dingen zijn voor het donker verloren gegaan, niet omdat ze stierven, maar omdat ze te ver en te snel kwamen.
En dat is precies hoe het is.
