Streven. Jaargang 2

[p. 725]

De Structuur van het Heelal volgens Lemaître
door F. Bertiau S.J.

IN het begin van de XXe eeuw werden allerlei pogingen gedaan om het heelal, dat zich steeds machtiger openbaarde, in één enkele synthese te vatten. De meest disparate elementen uit astronomie, atoomphysica, relativiteitstheorie, scheikunde en geologie wilde men in een enkele hypothese opnemen, waaruit beslist iedere werking van geheimzinnige, onwaarneembare krachten, zoals men die vroeger in cosmogonieën veronderstelde, moest worden geweerd.

Gegevens uit sterrekunde, wiskunde en atoomphysica

Een eerste reeks feiten die verklaring nodig had, werd ontleend aan de astronomie: Iedere ster is een bolvormige massa met een zeer hoge temperatuur (tot 50.000^o) waarvan de straal varieert van 100.000 Km tot - bij uitzondering - 300.000.000 Kilometer, zodat sommige sterren geheel de aardbaan zouden kunnen bevatten. De samenstelling van de sterren is vrij goed bekend. Wanneer het licht, dat een bepaalde gloeiende stof uitzendt, door een prisma ontleed wordt, vertoont het naast de klassieke regenboogkleuren een reeks donkere lijnen (absorptielijnen) die kenmerkend zijn voor het gas dat het licht op zijn weg ontmoet heeft. Indien de lichtbron door een gasmengsel omgeven is, zal men de absorptielijnen van al de samenstellende gassen aantreffen. Toen men dan in de physica ontdekte dat de plaats van deze lijnen onafhankelijk is van de afstand der lichtbron, lag het voor de hand de absorptielijnen van de sterren te gebruiken voor het onderzoek naar hun scheikundige samenstelling. Door middel van deze lijnen is het zelfs mogelijk temperatuur, zwaartekracht en verhouding van de massa's der verschillende elementen in de buitenste lagen van een ster te meten. Nog belangrijker is, dat de snelheid van een ster in Km. per sec., de toestand waarin de atomen zich bevinden en, in sommige gevallen, het magnetisch veld bepaald kunnen worden.

Het was mogelijk, dat iedere ster een ander spectrum en dus ook een andere samenstelling zou vertonen, het was zelfs denkbaar dat men allerlei onverklaarbare absorptielijnen zou aantreffen. Het tegendeel bleek het geval: op enkele uitzonderingen na konden alle sterren ondergebracht

[p. 726]

worden in tien kenmerkende spectra die sterk met elkaar verwant zijn. Zij vertonen een geleidelijk dalende temperatuur en een steeds ingewikkelder wordende scheikundige samenstelling. Het ziet er dus naar uit dat we ons te midden van jeugdige en afgeleefde sterren bevinden en dat ze allen een gelijkaardige levensloop doormaken. In ieder geval is het overduidelijk dat de materie, waaruit de sterren zijn gebouwd, volkomen dezelfde is als die van onze aarde.^1.

Reeds in de oudheid was het opgevallen, dat de sterren niet gelijkmatig over de hemel verdeeld zijn. Deze indruk is geen gezichtsbedrog, maar wordt door de huidige astronomie volkomen bevestigd. De sterren zijn geconcentreerd in een schijf, of juister, ze bewegen zich langzaam tussen twee reusachtige denkbeeldige cymbalen, waarvan de diameter 120.000 lichtjaren bedraagt.^2. De knop dezer cymbalen bestaat uit een uiterst sterke ophoping van sterren, die de kern vormen van de draaiende schijf. Want eenmaal in de 200 millioen jaar wentelen de 150 milliard sterren als een reusachtig wiel rondom het middelpunt, terwijl de randen sneller draaien dan de meer naar binnen gelegen gedeelten, zoals dit ook het geval is met de ring van Saturnus. Dit complex van sterren vormt de melkweg, het stelsel waarin wij leven. Van zijn fijnere structuur is niet veel bekend, omdat het voor ons, melkwegbewoners, zeer moeilijk is een inzicht te krijgen in de onderlinge samenhang van de sterren, zoals het voor een soldaat te midden van de drukte op het slagveld onmogelijk is de onderlinge samenhang van de legereenheden te begrijpen. Onze zon is immers maar een zeer gewone ster, die zich in de melkweg bevindt en geen uitzonderingspositie geniet.

Beter dan de structuur van ons eigen stelsel, kunnen we de vormen van de extra-galactische nevels waarnemen. Onze melkweg is namelijk niet de enige in zijn soort. Op 800.000 lichtjaren afstand draait de Andro-medanevel. In een kleine kijker verschijnt hij als een langwerpige vlek, maar de opnamen van Mount Wilson bewijzen dat deze nevel, net zoals de melkweg, uit milliarden sterren bestaat, die eveneens om een reusachtige kern wentelen en de vorm heeft van een S. Alle kenmerken van de melkweg vinden we erin terug: de schijfvorm, de tien verschillende spectra, de pulserende en plots opflakkerende sterren, de donkere materie die we overvloedig in het melkwegvlak ontmoeten en die het uitzicht zo zeer belemmert, en zelfs de bolvormige hoopjes van enkele duizende sterren bij de kern. De Andromedanevel is dus een ware kopij van onze melkweg en maakt het mogelijk een beter inzicht in de structuur van de melkweg

1. d.w.z. de elementen waaruit de aarde en de sterren zijn samengesteld zijn dezelfde; de ionisatietoestand echter kan sterk verschillen.

2. Eén lichtjaar = 10,000.000.000.000 Km = 67.000 maal de afstand van de aarde naar de zon.

[p. 727]

zelf te krijgen: de sterren van de Andromedanevel zijn verdeeld over spiraalvormige armen, en men vermoedt dat dit ook in de melkweg het geval is.

Dezelfde min of meer uitgesproken S-vorm treft men aan in de meeste andere spiraalnevels; hun aantal bedraagt minstens verschillende millioenen. Ze zijn gelijkmatig over de ruimte verdeeld, allen even reusachtig, met al de opgesomde eigenschappen voor zover de moderne astronomie in staat is hierover de oordelen; want met de afstand nemen ook de schijnbare afmetingen af, zodat de spiraalnevels op een milliard lichtjaren afstand in de grootste telescopen slechts als uiterst zwakke neveltjes verschijnen.

Een verbazend feit is echter, dat al deze spiraalnevels zich van ons verwijderen en dit met een snelheid die toeneemt met de afstand. Hieruit besluiten, dat wij het centrum van het heelal vormen, is op zijn minst voorbarig; het ziet er eerder naar uit alsof het heelal als een deegmassa uitzet. Alle afstanden tussen de nevels groeien met dezelfde snelheid.

Van samenhang tussen de nevels kan men niet veel waarnemen, tenzij bij enkele groepen die sterker geconcentreerd zijn en die zich als een geheel van ons verwijderen. Van een toename of afname van het aantal nevels met de afstand is niets te merken, wat laat vermoeden dat de rand van het materieel heelal nog ver buiten het bereik van de telescopen ligt: een bol die alle bestaande materie zou bevatten, bezit een straal die één milliard lichtjaren ver overtreft.

Of vergissen we ons? Is het misschien een zuivere verbeeldingskwestie, die ons doet besluiten dat we ons steeds verder van een gegeven punt kunnen verwijderen, zodanig dat de afstand in rechte lijn gemeten steeds groter wordt? In het begin van deze eeuw vernieuwde Einstein de physica door er op te wijzen, dat het onmogelijk is absolute metingen te doen, en in zijn relativiteitstheorie bewees hij dat, indien de ruimte materie bevat, een lichtstraal die zich volgens een rechte voortbeweegt, na een bepaalde tijd haar vertrekpunt opnieuw bereikt: de physische rechte is dus gesloten, de ruimte bezit geen oneindig volume, als we ze meten zoals we dit gewoonlijk doen; met één woord, de meetkunde die we in de astronomie gebruiken, is niet de Euclidische meetkunde, maar de elliptische. Dat we hiervan niets merken wanneer we ons tot figuren van enkele meters of Kilometers beperken, moet niet verwonderen, want men kan gemakkelijk aantonen dat de Euclidische meetkunde een zeer goede benadering is van de elliptische meetkunde wanneer men zich tot kleine volumina beperkt.^3.

3. Zie hierover het artikel van Prof. G. VERRIEST, 'Niet Euclidische Meetkunde' - K.C.T. Streven, Jg. II, nr. 3, pp. 268-280.

[p. 728]

Dat de spiraalnevels homogeen over de ruimte verdeeld zijn, beantwoordt volkomen aan de verwachtingen, want iedere nevel neemt in deze onbegrensde, eindige ruimte een volkomen gelijkwaardige plaats in: De ruimte bezit immers noch midden, noch rand.

Een tweede punt kan nu reeds opgehelderd worden: In de relativiteitstheorie bewijst men, dat de beroemde wet van Newton omtrent de onderlinge aantrekking van de massa's slechts een goede benadering is van een meer algemene gravitatiewet. De wet van Newton werd immers afgeleid uit de beweging van de planeten, en men kan zich best voorstellen dat deze wet, die tenslotte slechts een buitengewoon vernuftige synthese is van een zeer groot aantal waarnemingen binnen ons zonnestelsel, geen rekenschap zou kunnen geven van de bewegingen der hemellichamen, waarvan de snelheden onvergelijkelijk groter zijn. Dit is inderdaad het geval: de algemene gravitatie behelst, behalve de aantrekkingskracht van Newton, een afstotende kracht die des te groter is naar gelang de dichtheid van het midden kleiner is: m.a.w. hoe minder materie in een gegeven volume aanwezig is, des te sterker zal de afstoting zijn tussen twee deeltjes van dit volume. Practisch echter mag men deze cosmische afstoting verwaarlozen in vraagstukken die enkel betrekking hebben op planeten, sterren en zelfs één spiraalnevel in zijn geheel, omdat ook in dit laatste geval de dichtheid van het totale beschouwde volume nog te groot is. Alleen wanneer men de structuur van het heelal in zijn geheel bestudeert, zal men met de cosmische afstoting rekening moeten houden. (De dichtheid van het heelal is van de orde van 10-³⁰ gr/c².)

De verklaring van het uitdijen van het heelal is meteen gegeven, maar alvorens op dit probleem dieper in te gaan, is het nuttig iets te weten van een reeks atoomverschijnselen, die voor het begrijpen van de structuur van het heelal zeer belangrijk zijn.

Alle materie is samengesteld uit atomen met een gelijkaardige structuur: de kern die ongeveer de totale massa van het atoom vertegenwoordigt, bestaat uit positief geladen deeltjes, de protonen, waarvan het aantal karakteristiek is voor de scheikundige eigenschappen van de stof, en uit neutrale deeltjes, de neutronen. De kern wordt omringd door een wolk van negatieve deeltjes, electronen, die zich op ellipsvormige banen met grote snelheid bewegen.

De kernen zelf vertonen een inwendige beweging die wel eens aanleiding kan geven tot het uiteenvallen van de kern. Een kern die een zekere kans bezit uiteen te vallen, noemt men radioactief. Op het einde van de voorgaande en bij het begin van deze eeuw ontdekte men dat tenminste de twaalf zwaarste van de 92 elementen radioactief zijn. Hun kernen zijn dus

[p. 729]

zo ingewikkeld dat de kans om uiteen te vallen binnen een zekere tijdsduur, die men de halveringstijd noemt, gelijk is aan een half. Zo zal b.v. de totale massa Radium, die er in het heelal bestaat, binnen 1600 jaar voor de helft verdwenen zijn, indien er geen nieuw Radium door de natuur geproduceerd wordt. Het uiteenvallen van de kern, gaat gepaard met het vrijkomen van een grote hoeveelheid energie: de bindingsenergie. Het bestaan van deze energie werd door Einstein bewezen: het is de energie die vrijkomt telkens wanneer er materie verdwijnt. Aldus zijn massa en energie geen volkomen gescheiden physische begrippen; integendeel, massa kan energie worden en omgekeerd. De atoombom heeft dit nieuw beginsel proefondervindelijk bewezen.

Ook in de radioactiviteit wordt dit principe toegepast: de kernen vallen uiteen en daar er bij deze splitsing massa verloren gaat, wordt de vrijkomende energie aan de deeltjes medegedeeld, d.w.z. de kern ontploft. De nieuwe stof is gewoonlijk nog te ingewikkeld om niet radioactief te zijn. Dit ontbindingsproces, waarvoor soms millioenen jaren nodig zijn, eindigt tenslotte met de productie van een kern die zo stabiel is, dat er geen kans meer bestaat op een verdere splitsing.

Sedert 1920 heeft men aangetoond, dat alle elementen radioactief zijn in bijzondere omstandigheden; men is er zelfs in geslaagd nieuwe elementen te scheppen met kernen die nog ingewikkelder zijn dan de kern van Uraan. Deze elementen (b.v. Neptunium en Plutonium) zijn natuurlijk radioactief. De atoombom is slechts een toepassing van het vrijmaken van de bindingsenergie die in de kernen vervat ligt: de stukken van een ontplofte kern bezitten zulke enorme energie dat ze in staat zijn andere kernen te splitsen. Deze zetten het proces verder door, zodat alle kernen in een korte tijdsspanne ontploffen en een gedeelte van hun bindingsenergie afstaan.

Het feit dat alle stoffen in bepaalde omstandigheden radioactief zijn, dat binnen 2 of 3 milliard jaar geen spoor meer van de spontaan radioactieve elementen zal overblijven, en tenslotte de mogelijkheid elementen te produceren die nog ingewikkelder zijn dan de reeds bestaande, laat vermoeden dat de meeste radioactieve stoffen reeds sedert lang verdwenen zijn en dat de 92 elementen die we nu kennen slechts afvalproducten zijn, zoals lood het eindproduct is van uraan.

Deze feiten van zeer verschillende aard brachten Lemaître er toe een verklaring te zoeken, die een brug zou slaan tussen het astronomisch universum en de atoomwereld.

[p. 730]

Lemaitre's theorie van het uitdijend heelal

Alle spiraalnevels verwijderen zich op dit ogenblik van ons met een snelheid die evenredig is met de afstand; van de andere kant bezit de ruimte een eindig volume. Deze antinomie verklaart Lemaître door aan te nemen, dat het heelal uitdijt en dat de straal van het heelal toeneemt.

In het tijdperk dat het volume van het heelal zo klein mogelijk was, bestond het heelal uit één reusachtig atoom, dat zowat de afmetingen van ons zonnestelsel bezat. In dat atoom was alle materie en energie gecondenseerd, die nu over gans de ruimte verspreid is. Dit atoom vulde de gehele ruimte op. Het was buitengewoon radioactief, daar de kans radioactief te zijn toeneemt met een grotere complexiteit van de kern. Het viel dus uiteen, of, zo men wil, deze atoombom ontplofte. De bindingsenergie die vrij kwam overtreft alles wat we op dit gebied kennen; met enorme snelheid werden de stukken weggeslingerd: het heelal begon uit te dijen. Ieder stuk was nog veel te ingewikkeld om niet radioactief te zijn: de deling ging door tot er atoomkernen gevormd werden die zich niet meer spontaan splitsten. Dit proces is nog niet volkomen afgewikkeld: er zullen nog milliarden jaren verlopen voor ieder spoor van radioactiviteit verdwenen is, maar toch laat dit reeds vermoeden dat het heelal, indien het zijn ontstaan aan het oeratoom te danken heeft, niet zo oud kan zijn als Jeans beweert (ten minste 100.000.000.000.000 jaren).

Volgen we nu de geleidelijke groei van het heelal: de verbrokkeling ging onophoudelijk door, er kwam steeds meer energie vrij en de onderlinge afstand der delen nam toe. Elk deeltje werd door ieder ander deeltje aangetrokken en afgestoten volgens de gravitatiewet van Einstein. Zolang we echter te doen hebben met een grote dichtheid speelt de cosmische afstoting geen rol: de aantrekkingskracht van Newton tracht het volume te verkleinen. Was dit gelukt, dan zouden er nooit spiraalnevels of sterren ontstaan zijn. Maar de vrijgekomen bindingsenergie had aan de deeltjes blijkbaar een zo hoge snelheid gegeven, dat de Newtoniaanse aantrekking het uitdijen van het heelal slechts kon vertragen. Toen het volume van de ruimte echter voldoende groot werd, begon de cosmische afstoting haar invloed te doen gelden. Deze afstoting nam toe tot er een evenwicht ontstond tussen de aantrekking van Newton, de cosmische afstoting en de nu reeds veel zwakkere radioactiviteit. In die periode was het heelal in evenwicht.

Dit wil niet zeggen dat ieder onderdeel zonder beweging was, maar enkel dat het volume niet meer gewijzigd werd. Locaal zullen er verdichtingen en verdunningen voorkomen, en eenmaal dat een van beide processen begonnen is, zal het onvermijdelijk doorgezet worden. De materie gaat samentrekken tot een stelsel van spiraalnevels, waarin door verdere con-

[p. 731]

densatie de sterren zullen ontstaan. Typisch voor de theorie van Lemaître is, dat de vorming van sterren en spiraalnevels slechts enkele milliarden jaren vereist. De materie bestond niet uit zeer lichte deeltjes zoals de oudere cosmogonieën veronderstelden en de ruimte was ook niet zo uitgebreid als nu.

Anderzijds is het niet denkbaar, dat zulk een heelal eeuwig in evenwicht zou blijven; het is immers een labiel evenwicht, zoals dat van een kegel die op zijn punt staat. Is dit evenwicht eenmaal verbroken en heeft een van de beide krachten, de cosmische afstoting of de aantrekking van Newton de overhand gekregen, dan wordt de andere kracht geleidelijk maar zeker en voor goed uitgeschakeld, tenminste wat de structuur van het heelal in zijn geheel betreft. Blijkbaar heeft de cosmische afstoting het overwicht gekregen en zal het heelal steeds meer uitdijen. Op dit ogenblik is de straal van het heelal reeds 10 maal groter dan gedurende de evenwichtsperiode. De afstotende kracht neemt ieder ogenblik toe en de vraag kan gesteld worden, hoeveel milliarden jaren er sedert de evenwichtsperiode verlopen zijn.

Uit de snelheid waarmee het heelal uitzet berekenen de sterrekundigen, dat deze periode pas enkele milliarden jaren voorbij is. Dat is een resultaat dat buitengewoon goed overeenstemt met de ouderdom van de aarde (2 milliard jaren) en van de spiralen. Deze vertonen immers een rotatie die niet dezelfde is voor ieder onderdeel: de randen draaien trager dan de kern. De S-vorm zal dus zeker totaal verdwijnen na een aantal rotaties. Het feit dat bij de meeste nevels de S-vorm nog voorkomt, wijst erop, dat zij pas enige tientallen malen gedraaid hebben; wat eveneens op een ouderdom van enkele milliarden jaren wijst.

Tenslotte bezitten we nog enkele overblijfsels van de evenwichtsperiode: namelijk de groepen spiraalnevels. Het zijn waarschijnlijk gedeelten van de wolk waar het evenwicht bewaard bleef. De cosmische afstoting en de aantrekkingskracht van Newton houden elkaar nog in evenwicht. De groepen spiraalnevels kunnen dan ook grote diensten bewijzen bij het berekenen van allerlei grootheden, die verband houden met de structuur van het heelal.

Op dit ogenblik nemen we de gravitatie in het heelal in drie verschillende vormen waar: het uitdijen van het heelal in zijn geheel en dus een overheersing van de cosmische afstoting; het bestendig evenwicht in de wolken van spiraalnevels; en teslotte het samentrekken van de afzonderlijke spiraalnevels ten gevolge van de aantrekkingskracht van Newton.

De tijd verlopen sedert de beginontploffing van het oeratoom kan slechts enkele tientallen milliarden jaren bedragen en, daar het heelal niet oneindig is, kan men verwachten dat er in de interstellaire ruimte sporen van deze ontploffing te vinden zijn. De enorme snelheden aan de stukken van het

[p. 732]

oeratoom medegedeeld werden door botsing en andere processen waarschijnlijk sterk gereduceerd; maar het is zeer waarschijnlijk dat sommige deeltjes in onze buitengewoon ijle ruimte nog een zeer grote energie bezitten en zich met snelheden van verschillende tientallen duizenden Kilometers per seconde voortbewegen.

Sedert het begin van deze eeuw bestudeert men een zeer geheimzinnige, zogenaamd cosmische straling. Ze overtreft iedere radioactieve straling die we op aarde en in de sterren aantreffen. Duizende meters aarde volstaan niet om haar volkomen te remmen en de snelheid waarmee ze zich voortbeweegt benadert de lichtsnelheid. Deze straling heeft de physici reeds veel hoofdbrekens bezorgd, want, hoewel haar natuur en eigenschappen iedere dag beter bekend worden, blijft het voorlopig een hopeloos probleem haar oorsprong te bepalen. Geen enkele scheikundige of radioactieve reactie kan haar verklaren. Heel de interstellaire ruimte is er van vervuld. De hypothese, dat deze straling de laatste getuigenis is van de ontploffing van het oeratoom, is dan wel zeer plausibel, vooral nu het voor enkele maanden gebleken is, dat de deeltjes die zich in de interstellaire ruimte voortbewegen, een zeer hoog atoomnummer hebben.

Deze verklaring van Lemaître blijft natuurlijk slechts een hypothese; wellicht zal ze het lot van zoveel andere hypothesen ondergaan. Maar in ieder geval bestaat haar zwakheid alleen in het feit, dat onze kennis van het huidige heelal nog erg beperkt is. De bol met een straal van één milliard lichtjaren, die we met de huidige telescopen kunnen overzien, kan slechts als een goed staaltje van het heelal doorgaan. De overblijvende ruimte met een straal van 15 milliard lichtjaren kan nog allerlei verrassingen bergen, die ons misschien de reuzekijker van Mount Palomar met zijn spiegel van 5 meter zal openbaren.

Deze hypothese die reeds een kwart eeuw weerstand heeft geboden aan de critiek, werd door iedere ontdekking in de astronomie en in de physica bevestigd. Een kwart eeuw geleden was er weinig over de oorsprong van de spontane radioactiviteit, de artificiële radioactiviteit, de dynamica van de spiraalnevels, de atomaire oorsprong van de sterrenspectra en de aard der cosmische stralen bekend. Verschillende van deze grote ontdekkingen werden door Lemaître voorzien en allen vervolledigden prachtig zijn hypothese. Alleen bij de wiskundige behandeling ontstonden grote moeilijkheden, die nog groter zullen worden wanneer men met het materiaal van de nieuwe spiegeltelescoop van Palomar rekening zal moeten houden.

Alleen een geniaal wiskundige zoals Prof. Lemaître, met zijn zo vruchtbare verbeelding en zijn veelzijdige ontwikkeling, was in staat de grootse synthese uit te werken, die de kloof tussen atoom en spiraalnevel zou overbruggen.