De Big Bang-theorie (ook wel de ‘oerknaltheorie’ genoemd) wordt vaak gezien als tegenhanger van het christelijke scheppingsverhaal, maar wist je dat de grondlegger een priester was?

Dit klinkt als een grote verrassing, maar hij was naast priester ook kosmoloog/astronoom. Het gaat om George Lemaître. Hij werd 124 jaar geleden geboren in Charleroi (België) en werd uiteindelijk 72 jaar. Lemaître begon in 1911 een studie mijningenieur aan de KU Leuven en een studie Thomistische wijsbegeerte (studie van het filosofische werk van Thomas van Aquino). Hij moest helaas zijn studie onderbreken door de Eerste Wereldoorlog, waarin hij de rol als infanterist en later adjudant vervulde. Vanaf 1919 ging hij verder studeren, maar nu was het natuur- en wiskunde waarvoor hij koos. Hierin doctoreerde hij in 1920. Daarnaast volgde hij een opleiding voor geestelijken en werd in 1923 priester. In ditzelfde jaar ging Lemaître samenwerken met de prominente astrophysicus Arthur Eddington (1882-1944). In 1924 werkte Lemaître in het observatorium in Harvard, waarna hij vervolgens in 1925 terugkeerde naar Leuven in België. Hier ging hij voor de rest van zijn leven aan de slag met onderzoek aan de KU Leuven. In Leuven behaalde Lemaître enkele indrukwekkende resultaten. Het duurde echter een tijd voordat zijn ontdekkingen uit de late jaren 1920 bekend werden onder andere collega wetenschappers, omdat zijn artikelen enkel in twee vrij onbekende Belgische tijdschriften gepubliceerd werden (helaas was er ook nog geen internet).

Edwin Hubble op een foto uit 1931. Afbeelding: Johan Hagemeyer (via Wikimedia Commons).

Uitdijing
Wat Lemaître vond, was de ontdekking van een verzameling oplossingen van de Einstein-veldvergelijkingen van de relativeitstheorie. Dit was niet zomaar een bijzondere familie van oplossingen, want deze beschreef namelijk een uitdijend heelal. Dit ging in tegen de veronderstelling van een statisch heelal, wat de meeste fysici aan hadden genomen. Een statisch heelal wordt gedefinieerd als een heelal dat onveranderlijk is en er altijd al was in zijn huidige vorm (ruimte en tijd zijn oneindig). Het idee van het statische heelal was echter geen ideale oplossing, omdat zo’n heelal zou moeten instorten, doordat de gravitatiekracht objecten naar elkaar toe trekt. Albert Einstein (1879-1955) introduceerde daarom in zijn relativiteitstheorie de kosmologische constante om deze ineenstorting tegen te houden. Lemaître was overigens niet de eerste die kwam met de oplossing van de veldvergelijkingen voor een uitdijend heelal, want onafhankelijk van hem had de Rus Alexander Friedmann (1888-1925) dit ook al ontdekt. Lemaître introduceerde ook de eerste ideeën die later bekend werden als de wet van Hubble en de eerste schatting van de constante van Hubble. Deze wet en constante werden definitief geformuleerd door en vernoemd naar Edwin Hubble (1889-1953), nadat hij de roodverschuiving van verafgelegen sterrenstelsels had aangetoond. Dit betekent dat sterrenstelsels van ons af bewegen en het universum uitdijt. De wet van Hubble drukt een lineaire relatie uit tussen de snelheid en afstand van sterrenstelsels die van elkaar af bewegen door de uitdijing van het heelal. Lemaîtres werk kreeg dan ook pas aandacht toen Hubble de naar hem vernoemde wet bewees. Hiermee werd ook de kosmologische constante van Einstein verworpen en Einstein noemde het zelf later de grootste blunder uit zijn carrière.

Ga ver genoeg terug in de tijd en je komt tot de logische conclusie dat het heelal uit een piepklein puntje moet zijn voortgekomen. Lemaître noemde dit in 1931 ‘het oeratoom’

Oeratoom
Veronderstellend dat het heelal constant uitdijt, moet het dus veel kleiner zijn geweest in het begin en moet er dus ooit een begin zijn geweest. Ga ver genoeg terug in de tijd en je komt tot de logische conclusie dat het heelal uit een piepklein puntje moet zijn voortgekomen. Lemaître noemde dit in 1931 ‘het oeratoom’. Dit oeratoom zou dan ‘geëxplodeerd’ moeten zijn tijdens het moment van creatie. In een artikel genaamd ‘The Expanding Universe’ ging Lemaître uit van een positief gekromde ruimte (elliptische topologie) met een met de tijd variërende dichtheid én met weer een kosmologische constante, zodat het mogelijk was dat het universum eerst snel uitdijt, daarna een tijdje stagneert en vervolgens weer versneld uitdijt. Hierdoor was er genoeg tijd om sterrenstelsels te vormen. Lemaître zag het oeratoom ook wel als een enorm kleine entiteit bestaande uit pure quantumenergie, refererend naar de opkomst van de quantummechanica (fysica van het allerkleinste).

De oerknaltheorie met verschillende fases zoals kosmologen er nu over denken. Afbeelding: NASA / WMAP Science Team.

Eddington, met wie Lemaître eerder samenwerkte, was in het begin sceptisch over de ideeën van Lemaître en zijn oeratoom. Hij dacht dat Lemaître bevooroordeeld was door zijn geloof, waarin er een begin zou moeten zijn. Dit was niet echt eerlijk, want Lemaître had al enkele keren uitgelegd dat het fysische begin erg verschilde van het metaphysische idee van creatie. Ook maakte Lemaître wel duidelijk onderscheid tussen zijn leven als kosmoloog en als priester. Zo zei hij ook wel dat hij doordeweeks kosmoloog of fysicus was en in het weekend priester. Verder had Einstein in het begin moeite met de ideeën van Lemaître, maar was hij uiteindelijk één van de eerste fysici die overtuigd was. Met name het idee van Lemaître dat kosmische straling een overblijfsel is van de oerknal, was geniaal volgens Einstein.

Einstein en Lemaître. Afbeelding: KU Leuven / Universiteitsarchief.


Beroemd
Vanaf 1933 werd Lemaître pas echt beroemd toen hij zijn idee over een uitdijend universum in een gedetailleerd verslag publiceerde in ‘Annals of the Scientific Society of Brussels’. Over de hele wereld werd verkondigd dat Lemaître de nieuwe leider van de nieuwe kosmologie was. In 1934 kreeg Lemaître voor zijn ontdekkingen de hoogst haalbare onderscheiding in België van Koning Léopold III: de Francqui prijs. Tegenstanders van Lemaîtres opvattingen noemden het idee van het oeratoom waaruit ons universum ontstaan is, spottend de ‘Big Bang’. Deze term werd voor het eerst in 1948 op de radio genoemd door Fred Hoyle (1915-2001), toen hij naar Lemaître refereerde als ‘the big bang man’. Samen met Thomas Gold (1920-2004) en Hermann Bondi (1919-2005) waren zij nog altijd voorstander van een statisch model van het universum. Juist de naam ‘Big Bang’ zorgde voor meer aandacht en populariteit van Lemaîtres theorie. Dit kwam met name door fysicus George Gamow (1904-1968), een voormalig student van Alexander Friedmann, die de term ‘Big Bang’ gebruikte in zijn artikelen over deze nieuwe theorie.

Een artistieke impressie van een quasar. Afbeelding: NASA / ESA.


Kosmische achtergrondstraling
Het voordeel van de Big Bang-theorie is dat het kan verklaren hoe er een overvloed aan waterstof en helium in ons universum is, terwijl aan de andere kant het statische model alleen kan verklaren hoe deze gevormd zijn, maar niet de dominantie van deze elementen. Een andere belangrijke observatie is dat superzware zwarte gaten omringd door een schijf van materie, die licht en straling uitzendt als de materie naar het gat getrokken wordt (simpelweg quasars genoemd), veel vaker voorkwamen op grote afstand dan dichtbij. Dit is een argument tegen een statisch heelal, waarin alle materie gelijk verdeeld zou moeten zijn. Uiteindelijk kwam de nekslag voor de theorie van het statische heelal toen de kosmische achtergrondstraling per ongeluk ontdekt werd in 1965 door Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson. Zij waren niet op zoek naar de kosmische achtergrondstraling, maar kwamen tot de ontdekking toen ze met hun antenne, bedoeld voor het opvangen van microgolfstraling, op een golflengte van 1.9 mm een isotrope straling ontdekten. De allereerste gedachte was dat het kwam door duiven die op hun telescoop uitwerpselen achtergelaten hadden. Nadat ze de telescoop opgepoetst hadden werd de straling nog altijd geobserveerd. Vervolgens waren er collega’s, bekend met het concept van kosmische achtergrondstraling, die hen vertelden dat ze zojuist een enorm grote ontdekking hadden gedaan. De kosmische achtergrondstraling is namelijk de straling die na de Big Bang moet zijn uitgezonden. Doordat het heelal zo enorm uitgedijd is, is de temperatuur van de achtergrondstraling slechts 3 Kelvin (-270.15 graden Celcius). Zo werd door bovenstaande observaties de Big Bang-theorie uiteindelijk volledig geaccepteerd in de wetenschappelijke kringen. De theorie van Lemaître werd hierbij geupdate door onder andere Gamow en Lemaître maakte deze overwinningen van ‘zijn’ Big Bang-theorie nog mee vlak voor zijn dood in 1966.

Kaart van de kosmische achtergrondstraling. Gemeten door de Planck-satelliet en staat ook wel bekend als de babyfoto van ons universum. De gemeten straling is van 380.000 jaar na de Big Bang. Dit is het moment dat het heelal ‘doorzichtig’ werd, ofwel dat straling gemeten kon worden. Bron: ESA.

Het is ironisch dat een priester-kosmoloog de vader is van één van de meest belangrijke theorieën in de fysica, terwijl veel fanatieke Christenen deze theorie soms nog altijd niet accepteren, omdat er in de Bijbel niks ‘letterlijks’ over in staat. Om verwarring te voorkomen benadrukte Lemaître altijd het onderscheid tussen ‘begin’ en de ‘schepping’, om zo duidelijk te maken dat wetenschap en religie twee verschillende velden waren. Het nam niet weg dat hij het essentieel vond om beide velden te onderzoeken, zoals hij met zijn uitspraak in 1934 onderstreepte: “Een grondig zoeken naar de waarheid vereist het onderzoek van de ziel evenzeer als het onderzoek van spectra”. Lemaître heeft nooit de Nobelprijs kunnen winnen, omdat tot halverwege de jaren 1970 onderwerpen uit de astrofysica en kosmologie door het Nobelprijscomité nog niet geaccepteerd werd als volwaardige fysica en de Nobelprijs enkel aan nog levende wetenschappers uitgereikt kan worden.

Afgezien van alle latere aanvullingen aan Lemaîtres Big Bang-theorie om de theorie te verbeteren, zijn er wel nog veel vragen die opgelost moeten worden. Zo is het oeratoom, zoals Lemaître deze noemde, nog altijd niet begrepen vanuit quantummechanisch oogpunt. Er moet daarvoor een theorie over quantumgravitatie komen en sommige aannames, zoals het bestaan van donkere energie die de uitdijing versneld, zijn nog niet echt begrepen, toch heeft de Big Bang-theorie aan de andere kant wel voor veel oplossingen en een interessant wereldbeeld gezorgd. Verder kan er berekend worden dat de Big Bang zo’n 13.7 miljard jaar geleden plaatsgevonden heeft. Wat er daarvoor gebeurde en waarom de Big Bang plaatsvond, zijn misschien nog wel de grootste onbeantwoorde vragen en waar voor sommigen, zoals Lemaître, religie voor een antwoord kan zorgen.

Jurjen de Jong (1993) is masterstudent Space Studies aan de KU Leuven. Daarvoor heeft hij een propedeuse werktuigbouwkunde in Breda, een bachelor wiskunde en een bachelor natuurkunde in Utrecht behaald en afgelopen juli een master in de wiskundige natuur-en sterrenkunde in Gent afgerond. Jurjen leest graag over de verschillende ontdekkingen ontwikkelingen op wetenschapsgebied en door er over te schrijven hoopt hij zijn kennis te delen met een groter publiek. Later hoopt hij een baan in de ruimtevaartsector te krijgen. Eerder verscheen van Jurjens hand al dit interessante artikel waarin hij uitzoekt of het nodig is dat ook de ruimtevaart groener wordt. Ook zocht hij voor Scientias.nl uit of de ruimtelift werkelijk toekomst heeft. Recent publiceerde hij ook een artikel over de Parker Solar Probe: een ruimtesonde die binnenkort de zon gaat ‘aantikken’.