0,15 Duizendste graad...

Kan een temperatuurverschil van 0,15 duizendste graad interessant zijn? Ja! We leggen uit waarom.

Het ziet er naar uit dat het morgen (woensdag 17 mei), voorlopig de warmste dag wordt van dit nog prille zomerseizoen. Op de wadden wordt het 20-22 graden, in het zuidoosten 28 graden, zo wordt verwacht. Zo zien wij op een willekeurige meidag in ons land al een temperatuurverschil van acht graden en, omdat het de nacht daarvoor op de koudste plekken 14 graden wordt, betekent dat in één etmaal in ons land al een verschil van 14 graden tussen de hoogste en de laagste temperatuur. Hoe kan dan een verschil van 0,00015 graden heel interessant zijn? Dat leggen we in het navolgende verhaaltje uit.

Steeds grotere temperatuurverschillen

Hierboven zagen we al dat alleen in ons land, in één dag tijd een temperatuurverschil van 14 graden kan optreden. Uiteraard is dat nog lang geen record. Kijken we louter naar De Bilt en alleen naar 17 mei, dan werd daar in 1925 28,6 graden gemeten, en in 1935 -1,1 graad, een verschil van 29,7 graden.
Maken we het gebied groter en kijken we bijvoorbeeld naar geheel Europa, dan worden die verschillen alleen maar groter. In het hoge Noorden kan het in deze tijd van het jaar, ondanks de extreem korte nachten (iets boven de Poolcirkel gaat de zon momenteel zelfs helemaal niet meer onder), toch soms nog matig vriezen, en bijvoorbeeld in Zuid-Spanje kan het al (ruim) boven 30 graden worden. Kijken we naar de hele Aarde, dan komt het verschil al gauw in de buurt van honderd graden, of zelfs nog meer als we naar de absolute records kijken. Stappen we van onze planeet af en gaan we in het heelal kijken, dan zien we al gauw verschillen van vele miljoenen graden. In het hart van onze zon is het ongeveer 15 miljoen graden. De zon is echter bij lange na niet de heetste ster. In de koude interstellaire ruimte ligt de temperatuur vlak bij het absolute nulpunt (0 graden Kelvin of -273,15 graden Celsius). Maar zo drijven we steeds verder weg van die 0,15 duizendste (0,00015) graden verschil. Het lijkt steeds onduidelijker te worden waarom dat minieme verschil interessant zou kunnen zijn. Het is vooral de tijd die hier een doorslaggevende factor is.

De temperatuurverschillen worden kleiner

We zagen hierboven dat de temperatuurverschillen in een willekeurig etmaal, behoorlijk groot kunnen zijn. Dat beeld verandert echter, naarmate we naar de gemiddelde temperatuur over een langer tijdvak kijken. In De Bilt was het op de warmste 17e mei gemiddeld 22,0 graden, en op de koudste 5,0 graden, een verschil van 17,0 graden. Kijken we echter naar de gemiddelde temperatuur van de hele meimaand, dan wordt het verschil teruggebracht naar 6,5 graden, want de warmste meimaand had een gemiddelde temperatuur van 15,7 graden (2008) en de koudste van 9,2 graden (1902).
Vergroten we het tijdvak naar een heel jaar, dan liggen de uitersten tussen 7,9 graden (1963) en 11,7 graden (2014), een verschil van 3,8 graden. Voor de klimatologische gemiddelden gebruiken we echter een periode van 30 jaar, en het huidige gemiddelde staat op 10,2 graden (1981-2010), een stijging van 0,4 graden ten opzichte van de periode 1971-2000, wat al fors wordt genoemd. Het mag als bekend worden verondersteld dat de Aarde momenteel aan het opwarmen is en dat de huidige opwarming hoogstwaarschijnlijk voor een groot gedeelte door de activiteit van de mens wordt veroorzaakt. Een verdere opwarming van bijvoorbeeld twee graden zou al verstrekkende gevolgen kunnen hebben en daaraan zien we dat een klein temperatuurverschil – wat is nou twee graden? – al grote gevolgen kan hebben.
Maar dat alles geldt ook voor nog veel kleinere temperatuurverschillen, als we zowel het gebied, als ook de tijdschaal een stuk groter maken. Kortom, we stappen weer van onze planeet af en gaan in het heelal kijken.

De vierde dimensie

In de wereld om ons heen zijn we gewend te kijken in drie dimensies: lengte, breedte en hoogte (diepte). Zolang de afstanden te overzien zijn, werkt dat goed. Maar in het heelal zijn de afstanden immens, en moeten we anders kijken. De zon, de dichtstbijzijnde ster, staat al op bijna 150 miljoen kilometer afstand en het licht doet er iets meer dan 8 minuten over ons ons te bereiken. Hierdoor zien we de zon niet zoals die er nu uitziet, maar zoals die er ruim acht minuten geleden uitzag. Als de zon nu plots zou uitdoven, dan zouden we dat pas over ruim acht minuten merken. Kijken we verder het heelal in, dan worden de afstanden al snel gigantisch. Zo staat de op één na dichtstbijzijnde ster op ruim drie lichtjaren afstand, en één lichtjaar is al 9.500.000.000.000 (9,5 biljoen) kilometer! We zien die ster dan ook zoals die er ruim drie jaar geleden uitzag. De helderste reuzensterren van het sterrenbeeld Orion staan op honderden lichtjaren afstand en de Andromeda nevel, een Melkweg, vergelijkbaar met de onze, maar alleen iets groter, staat op twee miljoen lichtjaren afstand. We zien deze Melkweg dus zoals deze er twee miljoen jaar geleden uitzag. En dat is dus de vierde dimensie. We hebben hier niet alleen met afstanden te maken, maar ook met tijd. Naarmate we verder weg in het heelal kijken, kijken we ook verder terug in de tijd.
Toch is ook de Andromeda nevel onze naaste buur. Om ons heen wemelt het van de melkwegstelsels, die ieder honderden miljoenen sterren bevatten en zich op tientallen-, tot honderden miljoenen lichtjaren afstand bevinden, en verreweg de meesten zelfs op miljarden lichtjaren afstand. Toch gaat dat niet eindeloos door. Op deze manier kunnen we bijna 15 miljard lichtjaren ver kijken, maar nog verder… is er opeens niets meer!

De ‘Big Bang’

Ongeveer 15 miljard jaar geleden is het heelal namelijk ontstaan, schijnbaar vanuit een punt, waarin alles wat wij nu kennen en kunnen zien, zat samengebald en wat ontplofte in een gigantische explosie. In de daaropvolgende tientallen, duizenden, miljoenen jaren dijde de explosie uit en koelde af. Pas na rond 300 duizend jaar was het geheel ver genoeg afgekoeld dat er waterstof en helium kon worden gevormd en vanaf dat moment begon het heelal ook licht te geven. Pas na ongeveer één miljard jaar was het geheel ver genoeg afgekoeld dat ook de eerste sterren werden gevormd. Die afkoeling is in de miljarden jaren daarna langzaam maar zeker verder doorgegaan, waarbij het heelal steeds verder uitdijde, tot zijn huidige omvang. Nog steeds gaat de uitdijing nu in hoog tempo verder.

De achtergrondstraling

En dat is wat we kunnen zien, als we maar ver genoeg kijken. Welke kant we ook opkijken, op een afstand van bijna 15 miljard lichtjaren, als we dus bijna 15 miljard jaar in het verleden kijken, stuiten we op wat het restant is van de Big Bang explosie. Je zou verwachten dat in de koude, interstellaire ruimte de temperatuur op het absolute nulpunt ligt van 0 graden Kelvin (-273,15 graden Celsius). In werkelijkheid ligt de temperatuur daar 2,73 graden boven en dat is precies het restant van die niet te bevatten explosie, die de geboorte van ons heelal markeert.

0,15 duizendste graad

Waar we ook kijken, we zien die straling, en verder kijken lukt niet. Uiteraard is de temperatuur van die straling niet overal precies gelijk, maar we kijken hier wel over afstanden van honderden miljoenen lichtjaren en naar een tijdschaal van evenzovele jaren. De verschillen die we zien, zouden daarom, uitgemiddeld over zulke grote tijdvakken en afstanden, onmeetbaar klein moeten zijn, maar dat is dus niet zo. Zo springt speciaal een koud plekje in het oog, alwaar de temperatuur 0,00015 graden lager is dan de omgeving. Die kreet ‘plekje’ moet niet te letterlijk worden genomen, het is dus een gebied ter grootte van honderden miljoenen lichtjaren.
Uiteraard heeft men gezocht naar verklaringen om dat temperatuurverschil met de omgeving te verklaren. Het meest logische is om aan te nemen dat we daar in een richting turen waarin zich in het hele gebied van hier tot daar, zich relatief maar weinig Melkwegen of sterrenstelsels bevinden, die immers de gemiddelde temperatuur van het hele gebied doen ophogen, omdat sterren immers warmte uitstralen. Een nauwkeurige meting van de ruimtelijke verdeling van het aantal sterrenstelsels voor dit ‘koude’ gebied, vergeleken met een naburig ‘warmer’ gebied, bracht echter geen enkel verschil aan het licht. Het is dus de achtergrondstraling zélf die dat verschil veroorzaakt.
Waarom is dat nu zo boeiend? Nou, misschien is het dat helemaal niet. Berekeningen hebben namelijk aangetoond dat er een kans is van één op vijftig, dat dit waargenomen verschijnsel puur op toeval is gebaseerd. Maar… er zijn ook andere ‘logische’ oplossingen mogelijk. Die koude plek zou wel eens de locatie kunnen markeren waar ons heelal in botsing is gekomen met een ander heelal. Want dat is natuurlijk de meest fundamentele gedachte. Als ‘ons’ heelal, 15 miljard jaar geleden, als een punt begon, wat was daar dan buiten? En wat is er nú buiten ons heelal? Is het niet logisch dat de onmetelijke ruimte om ons heen nog veel onmetelijker is en dat onze uitdijende ‘heelal-bel’ er eentje is van vele, die om elkaar heen draaien en soms met elkaar in botsing komen? En dat alles wordt wellicht weerspiegeld door die 0,15 duizendste graad, waardoor dit kleine verschil dus plots toch heel boeiend blijkt te zijn!

Bronnen: MeteoGroup, KNMI, NASA, ESA, Royal Astronomical Society, allesoversterrenkunde.nl, et.al.