Kosmologie

Een introductie in de Kosmologie.
In dit stuk wordt een introductie gegeven in de Kosmologie.

Geschiedenis van het heelal

http://forum.fok.nl/templates/foksilver/i/p/4.gif Het Vacu�mtijdperk

Het Planck-tijdperk (tijd 10^-43 seconde, temperatuur 10¹⁹ GeV).

Dit tijdperk kan worden gezien als het begin van de tijd, want voorbij deze grens is het concept 'tijd' niet meer zinvol.

Tijd is niet uit te drukken in eenheden kleiner dan de Planck-tijd, dus het heeft geen zin om te spreken van 'voor' deze tijd; de ::begrippen 'tijd' en 'ruimte' zijn niet duidelijk van elkaar te onderscheiden bij kleinere eenheden.

Waarschijnlijk zijn alle waarneembare overblijfselen uit dit tijdperk weggevaagd door de inflatie (exponenti�le uitdijing), behalve ::dan de ontstane ruimtetijd zelf.

Het inflatietijdperk (na het Planck-tijdperk en voor 10^-10 seconde, temperatuur 100 GeV).

Het fysieke vacu�m domineert de energie en doet een afstotende zwaartekracht ontstaan die het heelal opblaast tot enorme ::afmetingen.

Dit kan worden beschouwd als de 'knal' zelf aangezien we het effect ervan, de kosmische uitdijing, nog steeds waarnemen.

Het is mogelijk, maar nog niet bewezen, dat dit proces de fluctuaties heeft veroorzaakt die hebben geleid tot de vorming van ::sterrenstelsels en alle andere niet-homogene structuren die nu in het heelal bestaan.

Als dat zo is, kunnen we misschien overblijfselen uit deze tijd vinden in de fluctuaties van de microgold-achtergrondstraling of in ::de vorm van zwaartekrachtstraling uit de 'oer-tijd'.

http://forum.fok.nl/templates/foksilver/i/p/4.gif Het Stralingstijdperk

Het ontstaan van licht (na de inflatie en voor het ontstaan van materie, temperatuur hoger dan 100 GeV).

De vacu�menergie transformeert en neemt de vorm aan van bekende deeltjes als fotonen en andere lichtquanten en van materie- en ::antimateriedeeltjes (in even grote hoeveelheden).

In dit tijdperk wordt energie omgezet in thermische straling.

De afstotende zwaartekracht verdwijnt en de zwaartekracht krijgt zijn huidige, aantrekkende karakter.

De achtergrondstraling die momenteel overal in het heelal aanwezig is, komt hiervandaan.

Het is mogelijk dat de donkere materie ook in deze vroege tijd is ontstaan en het grootste deel van de massa van het huidige heelal ::vormt.

Het ontstaan van baryonische materie (na het ontstaan van licht en voor of tijdens het elektrozwakke tijdperk, temperatuur 100 :GeV).

Een iets grotere hoeveelheid quarks en elektronen dan antiquarks en anti-elektronen onstaan in een proces dat baryogenese wordt ::genoemd.

Dit proces heeft zijn sporen nagelaten in de huidige aanwezigheid (en overvloed) van baryonische materie, waartoe alle gewone ::materie (alle atomen in alle sterren en sterrenstelsels) behoort.

Het elektrozwakke tijdperk (tijd 10^-10 seconde, temperatuur 100 GeV).

Dit tijdperk markeert de overgang naar het huidige, in laberatoria geteste natuurkunde.

Met andere woorden: de hiervoor genoemde fenomenen worden eerder gebruikt als kosmologische toetstenen voor onze natuurkundige ::theorie�n dan omgekeerd.

Maar ook in andere opzichten is deze periode belangrijk.

Zij markeert bijvoorbeeld de overgang van het vacu�m naar de toestand waarin deeltjes hun rustmassa krijgen; het is misschien de ::tijd waarin baryonische materie ontstaat en waarin de suppersymmetrie van het vacu�m eindigt, waarna materie en krachten ::onderscheidbare vormen van energie met verschillend gedrag worden.

Er zijn misschien kosmische overblijfselen van deze periode (zoals donkere materie of kosmische 'weeffouten'), maar misschien ook ::niet.

Het sterke tijdperk (tijd 10^-4 seconde, temperatuur 0,2 GeV).

Ongeveer op dit moment ondergaat het heelal de overgang van 'quarksoep' naar hadronische materie, waarin quarks en gluonen hun ::huidige vorm krijgen en uitsluitend in neutronen en protonen huizen.

Overblijfselen van deze overgang zijn misschien bepaalde soorten donkere materie (axionen, zwarte gaten of 'quarkklontjes'); ook ::kan het de materie een niet-homogene structuur hebben gegeven, die van invloed is geweest op de latere vorming van atoomkernen.

Ontkoppeling van de zwakke wisselwerking (tijd 1 seconde, temperatuur 1 MeV).

Neutronen en protonen kunnen niet meer ongehinderd in elkaar overgaan.

Het belangrijkste gevolg hiervan is dat er ongeveer zeven keer zoveel protonen als neutronen zijn, wat weer tot gevolg heeft dat ::het heelal grotendeels uit waterstof bestaat.

De talrijke achtergrondneutrino's die sindsdien zonder interacties op ons toe stromen, hebben toen hun dichtheid gekregen.

Verschillende mogelijke vormen van donkere materie onttrekken zich op dit moment aan de interacties met normale materie en hun ::hoeveelheden komen vast te liggen.

Kort daarna vindt de laatste grote vernietiging van antimaterie plaats: elektronen en positronen dumpen hun hitte in de ::achtergrondfotonen, die daardoor nu iets meer energie hebben dan neutrino's.

Ontstaan van de atoomkernen van lichte elementen (tijd 100 seconden, temperatuur 0,1 MeV).

De afkoeling die heeft plaatsgehad, maakt het mogelijk dat protonen en neutronen aan elkaar vast blijven zitten.

Dit proces wordt nucleosynthese genoemd.

Het overgrote deel van alle neutronen vormt samen met protonen heliumkernen, van het restant vormt het grootste deel ::deuteriumkernen, wat dan nog overblijft vormt lithium en een verwaarloosbare hoeveelheid zwaardere elementen.

De momenteel aanwezige hoeveelheden van deze elementen bevestigen ons beeld van deze fase.

Ontkoppeling van het stralingsspectrum (tijd vanaf 1 maand, temperatuur 500 eV).

Terwijl het heelal uitdunt, neemt de interactie tussen de materie en straling af.

Het zeer precieze spectrum van de achtergrondstraling die we nu waarnemen, heeft in deze tijd zijn beslag gekregen; slechts weinig ::energie kan daarna nog ongemerkt zijn toegevoegd.

De ontkoppeling gebeurt in fasen: de productie van fotonen eindigt vroeg, terwijl de energieuitwisseling tussen de deeltjes nog een ::tijdlang doorgaat.

De laatste fase van de omzetting van de oorspronkelijke energie in de meeste achtergrondfotonen die we nu waarnemen, vindt plaats.

http://forum.fok.nl/templates/foksilver/i/p/4.gif Het Materietijdperk

Materie wordt dominant boven straling (tijd ongeveer 10.000 jaar, temperatuur 30.000 K, ofwel 3eV).

De materie van het heelal verliest minder energie aan de expansie dan de straling en vormt uiteindelijk een groter deel van de ::massadichtheid.

De baryonische materie wordt nog steeds sterk beheerst door de intense druk van de hete straling, maar het grootste deel van de ::zwaartekracht en de massa worden gevormd door donkere materie, die ongeveer vanaf deze tijd vrijelijk kan bewegen.

In dit tijdperk onstaan fluctuatie in de dichtheid van de kosmische massa, die de basis leggen voor de huidige grootschalige ::verspreiding van materie.

Laatste verstrooiing (tijd ongeveer 500.000 jaar, temperatuur ongeveer 3000 K).

Wanneer de straling zo ver is afgekoeld dat de elektronen zich met protonen kunnen verbinden ('waterstofrecombinatie'), vindt er ::vrijwel geen wisselwerking meer plaats tussen elektronen en straling.

De straling plant zich hierna vrij voort door de ruimte.

We kunnen dit tijdperk direct waarnemen met behulp van onze kaarten van de kosmische achtergrond, dus naarmate er betere kaarten ::worden gemaakt, zullen we meer details over deze tijd te weten komen.

De baryonische materie, losgekoppeld van de straling, beweegt vanaf deze tijd vrij rond: de groei van de kosmische structuur wordt ::niet meer door de straling belemmerd.

De donkere tijd (tot ongeveer 1 miljard jaar, temperatuur ongeveer 0,002 eV, ofwel 20 K).

De zwaartekracht van de materie heeft een versterkende invloed op de oorspronkelijke fluctuaties in de donkere en de baryonische ::materie, maar deze structuren zijn lange tijd niet meer dan kleine rimpelingen.

Ergens in deze periode vormen de hevigste rimpelingen de eerste niet-lineaire structuren (de eerste structuren die niet meer ::uitdijen), waarschijnlijk stelsels met ongeveer een miljoen keer de massa van de zon.

De vorming van sterrenstelsels (aanvang vanaf ongeveer 1 miljard jaar, temperatuur ongeveer 0,002 eV, ofwel 20 K).

Door de zwaartekracht worden de 'rimpelingen' steeds groter.

De grootste golven worden uiteengeslagen en leiden tot de vorming van de eerste sterrenstelsels.

Gas stort ineen tot sterrenstelsels en vormt zeer snel sterren en quasars met zo'n grote helderheid dat we ze ook nu nog kunnen ::waarnemen.

Het licht en de warmte van deze energiebronnen ioniseren het overgebleven gas.

Het tijdperk van het licht (tot nu, ongeveer 13 miljard jaar, temperatuur 2,7 K).

Het oorspronkelijke gas is gaandeweg verbruikt en steeds sterker vervuild geraakt met zware elementen die afkomstig zijn van de ::sterren.

De laatste paar miljard jaar neemt de stervorming steeds verder af; bijna alle quasars zijn verdwenen en de vorming van nieuwe ::sterrenstelsels vindt nog maar zelden plaats.

In dezelfde periode is er op aarde leven ontstaan, dat zeer kort geleden intelligentie heeft voortgebracht.

De toekomst

Het heelal koelt af, de sterren sterven en de kosmische activiteit zal afnemen.

Maar de strutctuurvorming heeft een open einde en wordt steeds ingewikkelder aangezien grotere structuren mogelijk zullen worden en ::teglijkertijd steeds meer zwaartekrachtenergie beschikbaar komt.

Het uitdijen van het heelal

Op grote schaal gezien dijt het heelal uit en bestaat het uit groepen sterrenstelsel die allemaal van elkaar weg bewegen. Sterrenstelsels hebben een enorme omvang en bestaan doorgaans uit meer dan een miljard sterren, maar toch zijn ze veel kleiner dan de voor ons waarneembare ruimte (die ongeveer honderd miljard steerrenstelsel bevat). Het ligt dus voor de hand om het heelal te beschouwen als een uitdijende verzameling sterrenstelsel. de ze voorstelling vormt de kern van het oerknal model.

http://forum.fok.nl/templates/foksilver/i/p/5.gif Dijt alles uit?

De gedachte dat het heelal in zijn geheel uitdijt, lijkt vreemd omdat wij het heelal slechts op kleine schaal ervaren, waar het georganiseerd is in min of meer stabiele eenheden van materie zoals planeten, sterren en sterrenstelsels. Materie op kleine schaal dijt niet uit: jij en ik zijn stabiele structuren van atomen. Het zonnestelsel dijt niet uit, het is een (bijna) stabiel geheel van planeten die in hun baan worden gehouden door de zwaartekracht van de zon: de planeten bewegen, maar ze doen dat jaar in jaar uit op ongeveer dezelfde manier. En ook sterrenstelsels zijn stabiele verzamelingen sterren en andere materie die door de zwaartekracht bijeen worden gehouden. Tot op zekere hoogte draaien ook sterrenstelsel om elkaar heen in grote clusters. Maar op zeer grote schalen (stel je een zeer onduidelijke film voor waarbij je alleen de algemene beweging van grote groepen sterrenstelsels kunt onderscheiden) dijt die enorme wolk sterrenstelsels uit en beweegt elk onderdeel zich weg van het andere.

Deze beweging heeft te maken met de bijna-uniformiteit van materie op grote schaal en met het feit dat alle richtingen in de ruimte gelijkvormig zijn. De expansie ondergraaft de gelijkvormigheid niet: een uniform uitdijend systeem kan, hoewel het in beweging is, toch gelijkvormig blijven (al dunt het uit met de tijd) zonder een bepaalde richting te kiezen. Rotatie kiest bijvoorbeeld een richting in de ruimte, en ook niet-uniforme samendrukking en verdunning doen dat. De uitdijing is dus een weerspiegeling van de eenvoud van het heelaal op zeer grote schaal en in vroege tijden; het is het eenvoudigste gedrag dat een heelal kan vertonen. Lang geleden, kort na de oerknal, was het heelal gelijkvormig op een veel kleinere schaal, en zelfs zeer kleine delen ervan vlogen toen van elkaar weg; n�g eerder vlogen zelfs zaken die enkele centimeters van elkaar verwijderd waren uit elkaar. Nu is materie op kleine schaal gestold in stabiele systemen die niet meer uitdijen, want daar voltrok de expansie zich minder snel en hebben krachten haar tot staan gebracht. Op deze kleinere schalen zijn de dingen niet meer gelijkvormig: de materie heeft sterrenstelsels gevormd die zich van elkaar verwijderen maar zelf niet uitdijen.

http://forum.fok.nl/templates/foksilver/i/p/5.gif Bevinden wij ons in het centrum van het Heelal?

Ogenschijnlijk bevinden wij ons in het centrum van het heelal, maar dat lijkt zo te zijn vanuit elk sterrenstelsel, op elke plek en op elk moment. Vreemd genoeg bevindt het centrum zich zowel overal als nergens. ruimte is driedimensionaal, maar het is makklijker om je de uitdijing tweedimensionaal of zelfs eendimensionaal voor te stellen. Denk bijvoorbeeld aan een doorgeknipt elastiek dat wordt uitgerekt en waarop zich kralen bevinden die de sterrenstelsels voorstellen. Vanuit elke kraal gezien verwijderen allen andere kralen zich. Het elastiek kan eeuwig worden uitgerekt en elke kraal kan als het centrum worden beschouwd. Hoe verder twee punten van elkaar verwijderd zijn, hoe sneller ze zich van elkaar weg bewegen.

Dit figuur geeft een tweedimensionale voorstelling van de uitdijing. Een aantal punten wordt getoond op twee momenten; de patronen zijn gelijk, maar het tweede is iets groter. Wanneer je de twee patronen op elkaar legt, hebben ze een duidelijk centrum, maar wanneer je een punt in T2 op hetzelfde punt in T1 legt, lijkt dat punt het centrum. De patronen zijn niet veranderd, alleen onze interpretatie van wat zich verplaatst heeft is veranderd. Net als in het elastiekvoorbeeld hebben puntent die verder uit elkaar liggen, zich tussen T1 en T2 verder van elkaar verwijderd, wat betekent dat ze sneller van elkaar weg bewegen.

In het echte heelal is het net als in dit voorbeeld, met dit verschil dat er nog een dimensie bij komt. Een dunne plak uit het universum gesneden zou een situatie te zien geven zoals in het bovenstaande figuur, een dunne (eendimensionale) 'reep' zou lijken op het elastiek dat wordt uitgerekt. Dat alles zich van ons verwijdert, betekent nog niet dat we ons in het centrum van het heelal bevinden. Elk punt is het centrum, of geen enkel punt, want het heele lijk vanuit elk punt uit te dijen.

http://forum.fok.nl/templates/foksilver/i/p/5.gif Waartoe leidt de uitdijing?

Heeft het heelal een einde? Misschien, maar niet noodzakelijk. Het is mogelijk dat het heelal steeds groter wordt, dat er staat meer ruimte komt zonder dat deze is ingebed in een andere, grotere ruimte. Misschien breidt het heelal zich eindeloos naar alle kanten uit, misschien kromt het in zichzelf terug, zoals een rubberen band of het oppervlak van een ballon. Hoe het ook zij, de uitdijing heeft alleen van binnenuit gezien betekenis - er is geen plaats 'buiten' vanwaar zij bezien kan worden. Mogelijk is er w�l een einde, maar dat moet dan ver voorbij het voor ons zichtbare heelal liggen. We hebben niets waargenomen wat op een einde lijkt, en eigenlijk ook niets wat er werkelijk anders uitziet dan ons deel van het heelal. Als de oerknal een brok dynamiet is dat explodeert, dan bevindt alles wat wij zien zich binnen deze explosie.

Het waarneembare universum heeft echter wel een grens, want door de eindige leeftijd ervan wordt wat wij kunnen zien van de ruimte beperkt. Wanneer wij het heelal in kijken, kijken we terug in de tijd (namelijk de hoeveelheid tijd die het licht nodig had om ons te bereiken): een paar seconden naar de maan, acht minuten naar de zon, jaren of duizenden jaren naar sterren in ons sterrenstelsel en ongeveer twee miljoen jaar naar de verst van ons verwijderde nevel die nog met het blote oog waarneembaar is, namelijk de Andromedanevel (M31). Het verste wat we kunnen zien - per definitie - heeft het licht wat we nu zien kort na de oerknal uitgezonden. Dat licht is dus bijna de gehele geschiedenis van het heelal naar ons onderweg geweest. We kunnen nooit verder kijken dan dat, of beter: we zullen moeten wachten om verder te kunnen kijken, een jaar voor elk lichtjaar extra. Omdat het heelal slechts 12 tot 15 miljard jaar oud is, kunnen de verste objecten (ervan uitgaande dat het heelal al die tijd aan het uitdijen is geweest) inmiddels niet verder van ons verwijderd zijn dan 20 tot 30 miljard lichtjaar. In die zin heeft het heelal wel een grens, maar het is eerder een grens in de tijd dan in de ruimte. Om een voorbeeld te geven: een van de 'diepste' beelden die we nu zien is de vorming van enkele van de eerste sterrenstelsels. Het is opmerkelijk dat alle plekken in deze enorme ruimte zeer sterk op elkaar lijken: overal zijn sterrenstelsels en het heelal lijkt nergens te eindigen.

http://forum.fok.nl/templates/foksilver/i/p/5.gif Wat gebeurde er voor de oerknal?

De vraag naar wat er gebeurde voor de oerknal heeft twee componenten: een mechanistische over het uitdijinde heelal en een andere over de tijd zelf. Wij weten niet genoeg over de vroegste momenten van de oerknal, mede doordat we niet alle natuurkundige processen kennen (waaronder die met de betrekking tot de tijd) die zich hebben afgespeeld.

Waarom w�s er een oerknal? Volgens een van de hypothesen (de inflatiehypothese) ontwikkelde zich uit het fysische vacu�m van de lege ruimte een zeer sterk afstotende zwaartekracht (heeft te maken met kwantumfluctuaties wat nogal ingewikkeld is). Deze dreef de energie van het heelal uiteen in een explosie die de oerknal in gang zette. Alles wat nodig was om een enorm, uitdijend heelal te doen ontstaan was een microscopisch stukje aangeslagen vacu�m. Daarna moest de oerknal plaatsvinden, want dat schrijven de natuurkundige wetten voor.

Veel idee�n over de inflatie zijn inmiddels gemeengoed geworden. De gedachte van een afstotende vacu�mzwaartekracht gaat terug op Einsteins vroege publicaties over de kosmologie; het verband met de kosmische uitdijing werd gelegd in de jaren 30 (niet veel later dan de ontdekking van de uitdijing) door Arthur Eddington, een vroege voorvechter van Einsteins gravitatietheorie. En het concept van een aangeslagen vacu�m past goed in de moderne deeltjesfysica. Maar hoewel er veel gedetailleerde theori�n zijn over hoe de inflatie in zijn werk is gegaan, is er geen standaardmodel dat verklaart waar de eerste kwantumfluctuatie vandaan kwam. Dit is niet zo verbazingwekkend en vanuit een natuurkundig oogpunt doet het er niet erg toe want bijna alle informatie uit die tijd is verloren gegaan. Het was niet meer dan een fluctuatie, van weinig belang behalve dan dat zij het begin was van het universum. Met andere woorden, het universum schiep zijn eigen informatie, het maakte zichzelf interessant, dus het is onverstandig al te lang te blijven stilstaan bij die aanvankelijke fluctuatie, alsof die de eer zou moeten krijgen voor alles wat erna gebeurd is. En als die aanvangsfluctuatie min of meer irrelevant is en we er tich niet over te weten kunnen komen, moeten we ons het hoofd er niet over breken en gewoon verdergaan.

http://forum.fok.nl/templates/foksilver/i/p/5.gif Heeft de tijd zelf een begin gehad?

In tegenstelling tot wat onze intu�tie ons influistert (die waarschijnlijk is gebaseerd op onze ervaring dat het ene tijdsinterval veel op het andere lijkt) is de tijd zoals wij die kennen naar het verleden toe mogelijk niet oneindig. Net als bij de ruimte hoeft dit niet per se te betekenen dat er een uiterste grens is (een vroegste moment waaraan geen enkel moment voorafging). Het is zeer goed vol te houden dat de begrippen 'voor' en 'na' niet meer van elkaar te onderscheiden zijn als je maar ver genoeg teruggaat. Tijd heeft dan niet meer dezelfde betekenis als in de gewone natuurkunde. We hebben reeds vastgesteld dat het conventionele begrip 'tijd' niet van toepassing is op zeer kleine intervallen, dus als het begin te dicht wordt benaderd, kunnen we dit begrip niet meer gebruiken. 'Tijd' en 'ruimte' zijn concepten die alleen zinvol zijn met betrekking tot bepaalde minimale afmetingen en intervallen. Er zijn wel ontwerpen voor beschrijvingen van kleinere ruimten en tijdsintervallen (wat dat ook moge betekenen ), maar geen enkel is getoetst aan de werkelijkheid. Je kunt dit vergelijken met de middeleeuwse speculaties over het einde van de wereld. Iemand die denkt dat de aarde plat is, verwacht ofwel een oneindige ofwel een begrensde wereld te vinden, maar bij een ronde aarde wordt de vraag naar het einde ervan zinloos. Zich afvragen wat er was voor de oerknal is misschien hetzelfde als vragen wat er ten noorden van de noordpool ligt (waar het begrip 'ten noorden van' geen betekenis heeft). Het is aanmatigend om te veronderstellen dat onze idee�n over de tijd, die gebaseerd zijn op de huidige situatie van het heelal, ook zouden moeten gelden voor de uiterste grenzen van de ruimtetijd.

Het is ook mogelijk de de aanvangsfluctuatie deel was van een ander, groter heelal. In dat geval gaat de tijd misschien eindeloos terug en is hij misschien zelf ingebed in andere universa. Maar het is niet waarschijnlijk dat we ooit informatie zullen vergaren over wat zich 'hiervoor' afspeelde - dus het getuigt eigenlijk van een middeleeuwse inborst om te blijven stilstaan bij deze mogelijkheid. Maar deze kwesties doen niet zo ter zake wanneer we het oerknalmodel en de daaruit voortkomende voorspellingen bespreken. Alle inflatiemodellen gaan ervan uit dat �ls er iets geweest is 'voor' de oerknal, het bewijs hiervan lang geleden is vernietigd of vervaagd. De structuur van het hedendaagse heelal op de grootste schaal weerspiegelt waarschijnlijk de inflatieperiode en gebeurtenissen in het wat oudere heelal; de samenstelling van het heelal weerspiegelt de thermische heksenketel van de oerknal na de inflatie; en de complexiteit van de structuren op grote schalen (van moleculen tot sterrenstelsels) weerspiegelt miljarden jaren kosmische evolutie. Dat zijn zaken die we, met behulp van waarnemingen en de modellen. kunnen bestuderen.

De structuur van een vierdimensionale ruimtetijd kan gevisualiseerd worden als we bereid zijn enkele dimensies te laten vallen. In deze visualisatie is het begin weergegeven als een punt, aangezien alles toen zeer dicht opeengepakt zat. De horizontale doorsneden worden steeds groter en geven de totale ruimte op een bepaald moment weer (in een bepaald model), waarbij twee van de drie ruimtedimensies zijn weggelaten. De schaal is natuurlijk enorm: de 'doorsnede' heeft momenteel bijvoorbeeld een omtrek van ten minste tientallen miljarden lichtjaren.

In een andere visualisatie is de uitdijing weggelaten en worden de huidige posities getoond van zaken die in het verleden hebben plaatsgevonden en nu worden waargenomen. Het is een weergave van de 'verleden lichtkegel': de gebeurtenissen die we zien door in de ruimte en terug in de tijd te kijken. Elke horizontale doorsnede stelt een verzameling gebeurtenissen voor in een wijde cirkel om ons heen. Dit model laat beter de begrenzing zien van het terugkijken naar het begin van de tijd. De afstand naar deze kosmische horizon is weer tientallen miljarden lichtjaren. Hoewel deze slechts modellen zijn van mogelijk ruimtetijden, kunnen we de globale structuur van het huidige heelal in kaart brengen door het licht te observeren dat afkomstig is van ver verwijderde objecten.

http://forum.fok.nl/templates/foksilver/i/p/4.gif Effecten van de uitdijing op licht.

Licht dat door het uitdijend heelal reist, ondergaat veranderingen ten gevolge van die uitdijing. De golflengten van het licht dat afkomstig is van verre sterrenstelsels zijn tegelijk met het heelal uitgerekt. Blauw licht wordt geel na ongeveer 20 procent uitdijing, en rood na nog eens 20 procent. Na zeer lange tijd, dat wil zeggen na nog eens duizend keer zoveel uitdijing, is het zichtbare licht veranderd in microgolven, en na honderd keer meer uidijing in radiogolven. De uitdijing heeft een 'afkoelend' effect op het oorspronkelijke licht. Het heelal begon zeer heet en gevuld met hoogenergetische straling met een een korte golflengte, die nu grotendeels is afgekoeld tot laagenergetische microgolven. Licht dat afkomstig is van verder weg gelegen sterrenstelsels is langer geleden uitgezonden en vertoont meer 'roodverschuiving' (uitrekking), wat erop duidt dat het heelal in het verleden kleiner was; de sterrenstelsels bevonden zich dichter bij elkaar.

De golflengte van het licht dat zich voortplant in een uitdijend heelal worden, gelijk opgaand met de afmeting van het heelal, langer. De afmeting van het heelal op het moment dat het licht door een object werd uitgezonden, kan worden vastgesteld door de mate van roodverschuiving te meten van bepaalde aanvankelijk 'zuivere' kleuren van de 'favoriete' golflengten van atomen in sterrenstelsels die het licht hebben uitgezonden. Zo'n zuivere kleur is het intense rood van de laserstraal in een cd-speler of de codescanner in een supermarkt. De golflengte hiervan is altijd exact dezelfde, want de lasers zijn van hetzelfde materiaal gemaakt. wanneer je er een zou zien die roder was, zou er sprake zijn van roodverschuiving. Door de mate van roodverschuiving van een zuivere kleur te meten, kan dus worden bepaald hoeveel het heelal is uitgedijd in de tijd dat het licht naar ons onderweg was. De meest verafgelegen objecten vertonen de grootste roodverschuiving: het licht dat ze hebben uitgezonden is maximaal uitgerekt.

De helderste dingen in het heelal, en dus de gemakkelijkst bestudeerbare op grote roodverschuiving, zijn quasars: extreem sterke energiebronnen in de centra van sterrenstelsels. De golflengte van het licht van de verst verwijderde quasar die wij nu waarnemen is zes keer zo groot als toen het de quasar verliet. Het heelal had toen ongeveer een zesde van zijn huidige afmeting. Licht dat afkomstig is van vroegere tijden is nog veel meer uitgerekt. Het licht van de oerknal is nog afkomstig van voor de ontkoppeling van de zwakke wisselwerking, toen het heelal minder dan een miljardste van zijn huidige omvang had en meer dan tien miljard keer zo heet was.