Schaal en dimensies van ons heelal


Op Aarde

Als we in huis iets moeten opmeten (om te schilderen of te behangen bijvoorbeeld), dan hanteren we als lengtemaat de meter [m]. Iedereen vindt dat logisch en handig. Want het resultaat is een goed leesbaar getal waarvan we ons kunnen voorstellen hoe dat de werkelijkheid weergeeft.

Als we er op uittrekken, te voet, per fiets, met de auto, met de trein, met het vliegtuig… dan spreken we over kilometers [km], reeds een 1000-voud van de meter, maar toch nog te bevatten. Want ook hier kunnen we ons de afstanden ruimtelijk voorstellen. Zo is 50 km fietsen voor een gezonde persoon goed haalbaar; en dat het de afstand is tussen bijvoorbeeld Brussel en Gent is hiermee ook gezegd. Dat afstanden ook kunnen verschillen naargelang de taal die je spreekt wordt ondubbelzinnig geïllustreerd door het plaatje hieronder…

Brussel%20Bruxelles.jpg
                                                  Uit het leven gegrepen.

 

De Aarde blijkt van die grootteorde dat de kilometer een praktische maatstaf is om haar afmetingen te bepalen: een omtrek van 40.000 km en een diameter van 12.750 km zijn getallen die te vatten zijn.

 

Afstanden binnen ons zonnestelsel

Aarde – Maan

Earthrise_2.jpg

Onze Maan bevindt zich gemiddeld op 384.950 km van de Aarde. Vlak naast ons of toch ver weg? Hangt er van af welke ‘maatstaf’ je neemt. Stel dat je met de auto naar de Maan zou rijden: doe maar veel proviand en brandstof mee, want de rit zal ruim één jaar duren. Met het vliegtuig dan: je bent vlotjes twee weken onderweg. De astronauten deden er zowat 3 dagen over met een snelheid van duizenden kilometer per uur. Nog te doen.

Het licht doet iets meer dan 1 seconde over die afstand: dat is al interessanter, maar we zitten wel aan de universele snelheidslimiet van 300.000 km/s (voor zover de wetenschappelijke kennis op vandaag). En we zullen verder ontdekken dat de lichtsnelheid in feite ook maar een slakkengangetje is!

 

 

Zon en planeten

Op de schaal van ons zonnestelsel wordt de kilometer echter een te kleine maat voor de extra dimensie van afstanden die hier gelden. De getallen worden te groot. De Aarde staat – afgerond – 150.000.000 km van de Zon. Vervelend al die nullen. Tussen haakjes: dat vliegtuig van daarnet zou er 17 jaar over doen om de Zon te bereiken. Niet te doen.

Pientere astronomen hebben daarom een andere, grotere afstandsmaat ingevoerd, namelijk de astronomische eenheid [AE] en die is vrijwel gelijk aan de gemiddelde afstand Aarde – Zon of zo een 149,6 miljoen kilometer.

Volgens deze afstandsmaat bevindt de Aarde zich op 1 AE van de Zon. We zijn al die nullen kwijt. En zo kunnen we ook de afstanden bepalen in AE van de andere planeten tot de Zon.

Hierna een tabel waarin onder andere de afstanden van de planeten tot de Zon in AE zijn opgenomen. Deze maat blijkt handig voor ons zonnestelsel. Daarbuiten is het andere koek, maar daarover zo meteen.

 

Afstanden%20zonnestelsel.jpg

 

De laatste twee kolommen aan de rechterkant geven weer hoe de afstanden van de planeten tot de Zon zich verhouden. Zo kan je bijvoorbeeld het volgende aflezen: stel de Aarde voor als een bol van 1 m diameter (je kan ook een andere lengtemaat kiezen, als je daarna trouw blijft aan die eenheid; het zijn tenslotte verhoudingen), dan heeft de zon verhoudingsgewijs een diameter van 109,18 m en bevindt zich afgerond op 11,7 km. Zo heeft dan ook Saturnus een diameter van 9,45 m en staat op 112 km van de Zon. Volgens onze begrippen zijn de afstanden binnen ons zonnestelsel enorm. Op schaal wordt dit meer bevattelijk.

In dit verband een tof filmpje van twee gasten die het zonnestelsel in de woestijn van Nevada op schaal hebben nagebouwd. Indrukwekkend!

Je kan het bekijken op https://scaleofuniverse.com/scale-model-of-the-solar-system/.

 

Ons zonnestelsel voorbij

Met de astronomische eenheid [AE] zou je denken dat we goed zitten om ook afstanden te bepalen in de ruimte buiten ons zonnestelsel. We hebben gezien dat de verste volwaardige planeet Neptunus op 30 AE van de Zon staat. Met een paar cijfers erbij zouden we buiten het zonnestelsel moeten geraken. Of niet?

De Oortwolk

Oortwolk.jpgEen stuk verder dan Neptunus en de rommelige Kuipergordel (die zich op zowat 30 tot 50 AE situeert), aan de uiterste grens van ons zonnestelsel bevindt zich de Oortwolk, een samenraapsel van vermoedelijk een 10.000 miljard kometen, overblijvende brokstukken van bij het ontstaan van ons zonnestelsel. Deze Oortwolk vind je op een afstand van ongeveer 100.000 AE. Je ziet, er zijn hier al weer de nodige nullen nodig.

Als je het zou uitdrukken in kilometer wordt het een drama: 1,5 x 1013 km en voluit 15.000.000.000.000 km.

Het is duidelijk dat we niet kunnen rekenen met de astronomische eenheid op de meetlat, eens dat we ons verder van ons zonnestelsel verwijderen.

 

 

De Melkweg

Een grotere eenheid dan de astronomische eenheid is het lichtjaar [lj], het is de afstand die het licht aflegt in één jaar. Aan een fluks tempo van 300.000 km/s kom je na een eenvoudige berekening op 9,5 biljoen km en dat schrijven we zo: 9.500.000.000.000 km. Let wel: dit is een afstand en geen tijd, zoals de benaming zou kunnen laten veronderstellen. Wel een serieuze upgrade van de maatstaf.

Sterrenkundigen schatten de diameter van onze Melkweg op 100.000 lichtjaren. De centrale verdikking is ongeveer 3.000 lichtjaren dik. We zien hier meer dan 200 miljard sterren.

Melkweg.jpg

 

De dichtstbijzijnde ster Proxima Centauri staat op een afstand van 4,3 lichtjaar. Op de schaal van de Melkweg is dat een minieme fractie van haar diameter, namelijk 1/23.256 !

En toch is dat onnoemelijk ver volgens onze gangbare dagdagelijkse maatstaven en mogelijkheden.

Een gedachteoefening ter vergelijking: de ruimtesonde Voyager 2, gelanceerd in augustus 1977, is nu de interstellaire ruimte ingedoken. Over ongeveer 61.000 jaar zal de sonde door de eerder genoemde Oortwolk reizen. In de veronderstelling dat ze verder richting Proxima Centauri zou koersen (wat niet het geval is), zou het met haar actuele snelheid van ruim 55.000 km/h dik 80.000 jaar duren vooraleer deze meest nabije ster in de buurt komt.

Hoe zou het met de mens gesteld zijn over 80.000 jaar?

 

Andere galaxieën

De Andromedanevel (M31)

De Andromedanevel is het meest nabij gelegen sterrenstelsel. Het heeft een diameter van zowat 200.000 lichtjaar en ligt een slordige 2,5 miljoen lichtjaar van onze planeet verwijderd.

 

M31.png
                                                                    M31, copyright: ESO

 

We stellen vast dat zelfs met het lichtjaar onze meetlat te klein is en de vele nullen weer opduiken. En de Andromedanevel maakt evenals onze Melkweg deel uit van de Lokale Groep van een dertigtal sterrenstelsels die ‘erg dichtbij’ staan. Wat dan te zeggen over sterrenstelsels die ‘erg veraf’ staan?

Parsec.jpgDaarom hebben astronomen weer een poging ondernomen om de maatstaf te verruimen en hebben ze de parsec gedefinieerd. Het woord is een samentrekking van parallax en boogseconde. De parsec is de afstand die men vanaf de Zon de ruimte moet ingaan om de gemiddelde afstand Aarde – Zon onder een hoek van één boogseconde te zien. Met een beetje driehoeksmeetkunde kom je dan uit op 3,26 lichtjaar. Een niet zo grote opschaling zal je terecht opmerken, maar in de sterrenkunde worden courant veelvouden van de parsec [pc] gebruikt: de kiloparsec [kpc], de megaparsec [Mpc] en zelfs de gigaparsec [Gpc].

En zo kom je – zeker met de veelvouden van de parsec – tot leesbare getallen. Zo zie je: de Andromedanevel bevindt zich dan op 674.850 pc of 0,67 Mpc. Handiger dan deze afstand uit te drukken in kilometer natuurlijk: 9,5 x 1012 x 2,5 x 106 = 23,75 x 1018 km = 23.750.000.000.000.000.000 km. Niet mee te werken.

 

 

Meer sterrenstelsels

Je kan in de permanente tentoonstelling op MIRA op de eerste verdieping een aanschouwelijk en overzichtelijk paneel zien over dit onderwerp met relevante uitleg via de audiogids.

De Lokale Groep

Is de groep van sterrenstelsels waartoe onder andere de Melkweg en de Andromedanevel behoren, plus nog een vijftigtal andere soortgelijke sterrenstelsels. Deze cluster van galaxieën beslaat een diameter van ongeveer 10 miljoen lichtjaar of pakweg 3 Mpc. Afstanden worden hier echt hallucinant. En het is nog niet alles!

 

Superclusters

Zijn nog grotere structuren van groepen clusters van sterrenstelsels. Onze Lokale Groep zit aan de rand van de Virgo supercluster, een gevaarte van enkele tienduizenden sterrenstelsels en een diameter van zowat 110 miljoen lichtjaar of een kleine (nou ja) 34 Mpc.

 

Super-superclusters

Er zijn aanwijzingen dat deze superclusters ook weer opgaan in grotere structuren en zo zou de Virgo Supercluster een deeltje zijn van de Laniakea Super-supercluster.

 

Een weefsel van sterrenstelsels

Op het hoogste niveau van structuren zou het heelal zich voordoen als een web van slierten vol sterrenstelsels. Afstanden zijn nu wel van een duizelingwekkende grootteorde.

 

Planck%20slierten%20materie.png
                                                           Slierten van sterrenstelsels, copyright: Max Planck Institute For Astrophysics

 

 

Het waarneembare heelal

En er komt geen einde aan!

We kijken nu op een geheel van structuren dat in principe waarneembaar is, want alle licht uitgezonden sinds de oerknal, zo een 13,8 miljard jaar geleden, kunnen we opvangen. Je zou dus denken dat het waarneembaar heelal een diameter van 27,6 miljard lichtjaar zou moeten hebben. Echter omdat het heelal al die tijd bezig is met uitzetten, is de diameter veel groter en die wordt geschat op 93 miljard lichtjaar.

Het aantal sterrenstelsels in het waarneembaar heelal bedraagt naar schatting 2.000 miljard.

Uitgaande van een gemiddelde van 100 miljard sterren per sterrenstelsel, brengt dit de schatting van het aantal sterren in het waarneembaar heelal op het duizelingwekkend aantal van 1024.

Een 1 met 24 nullen kunnen we ons nauwelijks voorstellen. Of een poging tot meer aanschouwelijkheid: dat is tienduizend keer het geschatte aantal zandkorrels op aarde. Wauw!

Daarbuiten bevindt zich het onkenbare deel van het heelal, veel groter dan het waarneembare, dat er maar een kleine fractie van zou zijn! We hebben slechts zicht een uiterst klein deel van het heelal.

 

Het multiversum

Nog een extra stap erbij?

Theoretische benaderingen, gebaseerd op de snaartheorie en de kwantumfysica, zouden laten uitschijnen dat dit duizelingwekkende heelal slechts één exemplaar is van een gigantische hoeveelheid andere heelallen. Sommige snaartheoretici spreken van een aantal tot 10500, jawel een 1 met 500 nullen!

 

Tekst: Herman Schoups, 20 juni 2020

Bronnen:inspiratie werd onder meer opgedaan via