Waarom is het ’s nachts donker?

Nachten op aarde zijn van nature donker. Dat is cool. We kunnen slapen of andere dingen doen die geschikt zijn om in het donker te doen. De donkere hemel stelt ons ook in staat om het grote heelal goed te bekijken en ons af te vragen hoe alles is ontstaan. Het antwoord op de vraag “Waarom is het ’s nachts donker?” is niet zo eenvoudig als “Omdat de zon onder is. Het legt een verband met de oorsprong van het heelal zoals wij dat kennen. Niet eenvoudig, maar wel mooi.

De paradox

Als het heelal statisch was, oneindig groot, eeuwig, en gevuld met een oneindig aantal sterren, dan zou de hemel altijd moeten stralen als alle sterren schenen. Sterlichten zouden in elke richting reizen en uiteindelijk elke hoek van het universum raken. Elke plek op het oppervlak van elke planeet, inclusief onze Aarde, zou uiteindelijk de hele tijd in het sterrenlicht baden. De nacht zou dan niet donker moeten zijn. Het woord “nacht” zou dan iets heel anders moeten betekenen. Dit alles zou waar zijn als de werkelijkheid maar niet was wat ze is en altijd is geweest: de hemel is ’s nachts donker. Waarom? Een Duitse arts-draaier-astronoom stelde deze vraag al in 1823, en de kwestie werd naar zijn naam bekend als de ‘Olbers’ Paradox.’

Het statische heelalmodel stelde ook voor dat het heelal homogeen is. Op een immense schaal zou hetzelfde aantal sterren vanaf elke locatie een gelijk volume van het heelal vullen. Stel u voor, volgens dit model, dat als wij het heelal in secties of schillen zouden verdelen, elk één lichtjaar dik en gescheiden door een afstand van 1 miljard lichtjaren (astronomisch ver), er een toenemend aantal sterren zal zijn in de schillen die verder van de waarnemer verwijderd zijn.

Het licht van de verder gelegen schillen zou van nature zwakker zijn dan het licht van de schil die zich het dichtst bij de waarnemer bevindt, maar er zouden zich meer sterren in de verder gelegen schillen bevinden. De waarnemer zou dus van schelp 2 evenveel licht zien als van schelp 1. Elke schelp zou bijdragen aan een eenheid licht, tot een totaal dat gezien kan worden door de waarnemer. Met een oneindig aantal schelpen zou alles verblindend helder zijn.

Inderdaad zouden de nachten op Aarde alleen dan even helder zijn als de dagen, als de aanname juist was dat het heelal, ruimtelijk en temporeel oneindig, en statisch zou zijn. Volgens dit model zou er noch een begin noch een einde van het heelal zijn.

Het heelal mag dan oneindig groot zijn, maar het is niet oneindig oud. Er was een moment in de tijd waarop alles ontstond. Dit begrip verklaart uiteindelijk de reden waarom de nacht donker is.

Licht reist snel met ongeveer 1080 miljoen kilometer per uur. Niets in het heelal kan sneller gaan dan het licht. Maar het licht heeft nog steeds tijd nodig om grote afstanden af te leggen. Een van de redenen waarom de hemel ’s nachts donker is, is dat sinds het begin sommige lichten van verre sterren nog niet hun weg naar ons hebben gevonden, zoals Edgar Allan Poe in 1848 in zijn essay Eureka redeneerde.

Was de opeenvolging van sterren eindeloos, dan zou de achtergrond van de hemel ons een uniforme helderheid bieden, zoals die van het Melkwegstelsel – omdat er in die achtergrond absoluut geen punt zou kunnen zijn waar geen ster zou bestaan. De enige manier waarop we in zo’n situatie de leegten die onze telescopen in ontelbare richtingen aantreffen, zouden kunnen begrijpen, zou zijn door te veronderstellen dat de afstand van de onzichtbare achtergrond zo immens is dat geen enkele straal ervan ons tot nu toe heeft kunnen bereiken. – Edgar Allan Poe, Eureka

The Big Bang Theory and the Expansion of the Universe

Er zijn dingen die het statische heelalmodel niet kan verklaren. Met nieuwe technologieën hebben wetenschappers en astronomen steeds meer aanwijzingen gevonden dat het heelal niet statisch is. Waarnemingen hebben aangetoond dat het heelal uitdijt. En in een zeer snel tempo. Iets moet deze uitdijing lang geleden hebben veroorzaakt. Een grote explosie, misschien? Poe’s intuïtieve opvatting van het heelal met een eindige leeftijd ondersteunde ook deze speculatie omdat het impliceert dat het een begin heeft.

De oerknaltheorie zegt dat het heelal op een bepaald moment een zeer hete plaats was. De heetste plek in het heelal (duh!) Het was ook erg dicht. Toen gebeurde de knal. Alle materie in de ‘kosmische oersoep’, die kort na de knal werd gevormd, begon af te koelen. De materie condenseerde toen tot subatomaire deeltjes, daarna atomen – de bouwstenen van de sterren – en al het andere.

In het begin was het heelal vermoedelijk zeer helder maar ondoorzichtig omdat de vrije elektronen het licht niet zo ver lieten reizen. Door afkoeling werd het heelal steeds doorzichtiger. Tegelijkertijd breidde het heelal zich uit. Alles binnenin begon van elkaar weg te bewegen. De uitdijing ging zo snel dat de lichten van de sterren en melkwegstelsels die eerder in het heelal waren gevormd, werden uitgerekt. Dit verschijnsel wordt de ‘kosmologische roodverschuiving’ genoemd. De term ‘roodverschuiving’ komt van het feit dat wanneer de golflengte van het licht wordt uitgerekt wanneer het heelal uitdijt en afkoelt, de kleur van het licht roder wordt naarmate de golflengte langer wordt en in het infraroodgebied valt, waardoor de energie ervan afneemt als gevolg van de afkoeling van het heelal.

Wanneer we naar sterren of sterrenstelsels kijken, kijken we in hun verleden. Dat komt omdat het licht er jaren over doet om van die objecten naar ons te reizen. Uit de kosmologische roodverschuiving hebben wetenschappers ook ontdekt dat hoe verder een ster of sterrenstelsel van ons verwijderd is, hoe sneller het zich verwijdert. Het verste waarneembare hemellichaam is alleen zichtbaar in het infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum. Toen de Hubble-telescoop het eXtreme deep field (XDF) beeld fotografeerde, deed hij dat met infraroodsensoren om sterren en sterrenstelsels in de verste uithoeken van het heelal te onthullen, voor zover wij dat met onze huidige technologie kunnen waarnemen.

Een ander bewijs dat de Big Bang Theorie ondersteunt, is de kosmische achtergrondstraling die in 1965 per ongeluk door wetenschappers werd ontdekt; dit is de overgebleven straling in de vorm van microgolven en radiogolven die door het heelal verspreid is. Deze stralingen zijn veel meer uitgerekt dan de lichten van de verste waarneembare sterren en melkwegstelsels. Hun golflengten zijn langer dan die in de infrarode gebieden. De kosmische achtergrondstraling is, met andere woorden, de afgekoelde versie van de straling die vrijkwam ten tijde van de oerknal. Het is de oudste waarneembare straling. We kunnen deze straling ook beschouwen als de momentopname van het heelal rond de tijd dat de oerknal plaatsvond, ongeveer 14 miljard jaar geleden.

Het korte antwoord op ‘waarom is het ’s nachts donker?’

De boodschap is dat onze nachtelijke hemel donker is omdat we de lichten van verre sterren en sterrenstelsels niet kunnen zien omdat ze zo snel van ons weg bewegen dat hun lichten worden uitgerekt en infrarode lichten worden. Ook niet alle lichten van alle sterren in het heelal zullen ons uiteindelijk in ons leven bereiken, eenvoudigweg omdat ze te ver weg zijn. Maar eigenlijk wordt het hele “waarneembare heelal” tegelijkertijd verlicht door allerlei stralingen die onzichtbaar zijn voor onze ogen en die nog vol wonderen zitten te wachten om gevonden te worden.