Er zijn maar weinig dingen die we ons kunnen voorstellen die zo verbijsterend groot zijn als de ruimte. Ons waarneembare heelal, tot aan de diepste uithoeken van de ruimte die we mogelijk kunnen zien, strekt zich in alle richtingen uit over zo’n 46 miljard lichtjaar. Vanaf de oerknal tot nu heeft ons heelal zich uitgebreid en tegelijkertijd zwaartekracht uitgeoefend, waardoor sterren en sterrenstelsels zijn ontstaan die zich over de hele ruimte uitstrekken. Alles bij elkaar zijn er momenteel zo’n 2 triljoen sterrenstelsels in aanwezig.

En toch, als we teruggaan in de tijd, leren we dat ons heelal niet alleen veel kleiner was, maar dat het in de vroegste stadia helemaal niet indrukwekkend groot was. De ruimte is misschien niet altijd groot geweest, en het is alleen het feit dat ons heelal zich zo grondig en meedogenloos heeft uitgebreid dat wij het nu als zo groot en leeg zien.

Als we vandaag de dag naar het heelal kijken, kunnen we niet ontkennen hoe enorm groot het is. Ons Melkwegstelsel bevat ongeveer 400 miljard sterren en strekt zich uit over een diameter van meer dan 100.000 lichtjaar. De afstanden tussen de sterren is enorm, met de dichtstbijzijnde ster van onze zon (Proxima Centauri) op zo’n 4,24 lichtjaar afstand: meer dan 40 triljoen kilometer afstand.

Weliswaar zijn sommige sterren samengeklonterd in groepen, hetzij in meersterrensystemen, hetzij in verschillende soorten sterrenhopen, maar de meerderheid is zoals onze zon: afzonderlijke sterren die relatief geïsoleerd zijn van alle andere sterren in een melkwegstelsel. En als je verder gaat dan ons eigen melkwegstelsel, wordt het heelal veel dunner, met slechts een klein deel van het heelal vol sterrenstelsels. Het grootste deel van het heelal is, voor zover we kunnen nagaan, geheel verstoken van sterren en sterrenstelsels.

Onze Lokale Groep bevat bijvoorbeeld nog een groot sterrenstelsel: Andromeda, dat 2,5 miljoen lichtjaar van ons verwijderd is. Er zijn ook een aantal aanzienlijk kleinere melkwegstelsels aanwezig, waaronder het Triangulumstelsel (het op twee na grootste van de Lokale Groep), de Grote Magelhaense Wolk (#4), en ongeveer 60 andere veel kleinere melkwegstelsels, die zich allemaal binnen ongeveer 3 miljoen lichtjaar van ons bevinden.

Daarbuiten zijn melkwegstelsels overal in het heelal samengeklonterd en geclusterd te vinden, met een kosmisch web dat bestaat uit grote clusters van melkwegstelsels die met elkaar verbonden zijn door filamenten van melkwegstrepen. Het heelal is zo ontstaan omdat het niet alleen uitdijde en afkoelde, maar ook omdat het zwaartekracht uitoefende. De aanvankelijk te dichte gebieden trokken bij voorkeur materie aan en gaven aanleiding tot de structuren die we zien; de te weinig dichte gebieden stonden hun materie af aan de dichtere, en werden de grote kosmische leegten die het grootste deel van het volume van het heelal domineren.

Alles bij elkaar is ons waarneembare heelal vandaag de dag werkelijk enorm. Gecentreerd op een willekeurige waarnemer – inclusief onszelf – kunnen we objecten zo ver weg als 46,1 miljard lichtjaar in elke richting. Als je alles bij elkaar optelt, komt dat neer op een volume van 4,1 × 1032 kubieke lichtjaren. Met zelfs twee triljoen sterrenstelsels in het heelal betekent dat dat elk sterrenstelsel gemiddeld ongeveer 2 × 1020 kubieke lichtjaren aan volume voor zichzelf heeft.

Als alle sterrenstelsels gelijkmatig over het heelal verdeeld waren, en dat zijn ze zeker niet, dan zou je je vinger op een sterrenstelsel kunnen leggen en er een bol omheen kunnen trekken met een straal van ongeveer 6 miljoen lichtjaar en nooit een ander sterrenstelsel raken. Onze locatie in het heelal heeft honderden keren de dichtheid van melkwegstelsels die we gemiddeld verwachten. Tussen de groepen en clusters van melkwegstelsels in het heelal ligt het grootste deel van het volume, en dat is grotendeels lege ruimte.

Maar de reden dat het heelal nu zo groot is, is omdat het is uitgedijd en afgekoeld om dit punt te bereiken. Zelfs nu nog blijft het heelal met een enorme snelheid uitdijen: ongeveer 70 km/s/Mpc. In de verste uithoek van het heelal, op 46,1 miljard lichtjaar afstand, groeit de hoeveelheid heelal die we kunnen waarnemen met 6,5 lichtjaar extra met elk jaar dat verstrijkt.

Dat betekent dat als we extrapoleren in de omgekeerde richting in de tijd – zo ver mogelijk terugkijken in het verleden – we het heelal zullen aantreffen zoals het was toen het jonger, heter en kleiner was. Tegenwoordig strekt het heelal zich uit over 46 miljard lichtjaar in alle richtingen, maar dat komt omdat het 13,8 miljard jaar geleden is sinds de oerknal, en ons heelal bevat een specifieke mix van donkere energie, materie, en straling in verschillende vormen.

Als we terug zouden gaan naar de tijd toen het heelal slechts 3 miljard jaar oud was (ongeveer 20% van de huidige leeftijd), dan zouden we zien dat het slechts een straal van ongeveer 9 miljard lichtjaar had (slechts 0,7% van het huidige volume).

En we hebben er geen moeite mee om terug te kijken om sterrenstelsels en clusters van sterrenstelsels te zien toen het heelal nog zo jong was; onder andere de Hubble-ruimtetelescoop heeft ons veel verder teruggebracht dan dat. In die tijd waren sterrenstelsels gemiddeld kleiner, blauwer, minder zwaar en minder geëvolueerd, omdat het heelal nog niet genoeg tijd had gehad om de allergrootste, massiefste structuren te vormen.

Het heelal is in dit vroege stadium over het geheel genomen veel dichter dan het nu is. Het aantal materiedeeltjes blijft gelijk in de tijd, zelfs als het heelal uitdijt, wat betekent dat het heelal op een leeftijd van ~3 miljard jaar ongeveer 150 keer dichter is dan het heelal nu is, op een leeftijd van ~13,8 miljard jaar. In plaats van ongeveer 1 proton massa per kubieke meter, is er nu ongeveer 100 proton massa per kubieke meter. We kunnen echter teruggaan naar veel vroegere tijden en een heelal vinden dat niet alleen kleiner en dichter is, maar ook dramatisch anders.

Als we teruggaan naar de tijd toen het heelal nog maar 100 miljoen jaar oud was – minder dan 1% van de huidige leeftijd – dan beginnen de dingen er dramatisch anders uit te zien. De allereerste sterren waren nog maar kort geleden ontstaan, maar er waren nog geen sterrenstelsels, zelfs niet één. Het heelal is op dit moment ongeveer 3% van zijn huidige schaal, wat betekent dat het slechts 0,003% van zijn huidige volume heeft, en 40.000 keer zijn huidige dichtheid. De achtergrond van de kosmische microgolf is op dit moment heet genoeg om vloeibare stikstof te laten koken.

Maar we kunnen veel verder teruggaan in de tijd, en een nog kleiner heelal ontdekken. Het licht van de kosmische microgolfachtergrond dat wij zien, werd uitgezonden toen het heelal nog maar 380.000 jaar oud was: toen was het meer dan een miljard keer dichter dan nu. Als je vandaag een cirkel zou trekken rond onze lokale supercluster, Laniakea, zou die een veel groter volume omvatten dan het hele waarneembare heelal deed in die vroege, hete, dichte stadia.

Het betekent dat als we terug zouden gaan naar een tijd waarin het heelal ongeveer tien jaar oud was, tien jaar nadat de oerknal voor het eerst plaatsvond, het hele waarneembare heelal – dat alle materie bevat waaruit we vandaag de dag 2 biljoen sterrenstelsels (en meer) hebben opgebouwd – niet groter zou zijn dan het Melkwegstelsel.

Het betekent dat als we teruggaan naar een tijd waarin slechts één seconde is verstreken sinds de Big Bang, toen de laatste antimaterie van het vroege heelal (in de vorm van positronen) aan het vernietigen was, het hele waarneembare heelal slechts ongeveer 100 lichtjaar in diameter zou zijn.

En dat betekent dat in de allereerste stadia van het heelal, toen er misschien nog maar een picoseconde (10-12 seconden) was verstreken sinds de oerknal, het hele waarneembare heelal in een bol paste die niet groter was dan de baan van de aarde om de zon. Het gehele waarneembare heelal, in het beginstadium van de oerknal, was kleiner dan de omvang van ons zonnestelsel.

Je zou kunnen denken dat je het heelal helemaal terug kunt brengen naar een singulariteit: naar een punt van oneindige temperatuur en dichtheid, waar al zijn massa en energie zich concentreerden in een singulariteit. Maar we weten dat dat geen accurate beschrijving is van ons heelal. In plaats daarvan moet een periode van kosmische inflatie aan de oerknal vooraf zijn gegaan.

Uit het bewijsmateriaal in de huidige kosmische microgolf-achtergrond kunnen we concluderen dat er een maximumtemperatuur moet zijn geweest die het heelal tijdens de hete oerknal bereikte: niet meer dan ongeveer 5 × 1029 K. Hoewel dat een enorm getal is, is het niet alleen eindig, maar ook nog eens veel lager dan de schaal van Planck. Als je het uitrekent, kom je op een minimale diameter voor het heelal aan het begin van de hete oerknal: ongeveer 20 centimeter, of ongeveer de grootte van een voetbal.

Het is waar dat we niet weten hoe groot het niet waarneembare deel van het Heelal werkelijk is; het kan oneindig zijn. Het is ook waar dat we niet weten hoe lang de inflatie heeft geduurd en wat er eventueel aan vooraf is gegaan. Maar we weten wel dat toen de hete oerknal begon, alle materie en energie die we vandaag de dag in ons zichtbare heelal zien, alles wat zich 46,1 miljard lichtjaar in alle richtingen uitstrekt, geconcentreerd moet zijn geweest in een volume van ongeveer de grootte van een voetbal.

Voor tenminste een korte periode was de enorme uitgestrektheid van de ruimte waar we vandaag naar kijken en waarnemen, allesbehalve groot. Alle materie waaruit hele reusachtige sterrenstelsels zijn opgebouwd, zou in een gebied in de ruimte hebben gepast dat kleiner was dan een potloodgummetje. En toch, na 13,8 miljard jaar van expansie, afkoeling en zwaartekracht, zijn we uitgekomen op het enorme heelal waar we nu een klein hoekje van innemen. De ruimte mag dan het grootste ding zijn dat we kennen, maar de omvang van ons waarneembare heelal is een recente prestatie. De ruimte was niet altijd zo groot, en het bewijs daarvoor is in het heelal geschreven zodat wij het allemaal kunnen zien.