Hoeveel atomen zijn er in het heelal?

We mogen dan onderling veel verschillen hebben; verschillende klassen, geloven, landen, beroepen en zelfs smaken, maar één ding hebben we allemaal gemeen: onze microscopische blauwdruk… we zijn allemaal gemaakt van atomen. Dit geldt niet alleen voor onze medemensen, maar voor elke vorm van materie die er bestaat, van bacteriën en vlinders tot leeuwen, continenten en zelfs kolossale sterren.

Alles met een massa is een arrangement van atomen, want zij zijn de bouwstenen van materie. Het aantal atomen in het waarneembare heelal is eindig, dus de atomen blijven hun rangschikking veranderen om nieuwe dingen te vormen. Als ze eindig zijn, dan kunnen we het totale aantal atomen in het heelal berekenen, of op zijn minst een schatting maken. Om dat te kunnen doen, moeten we echter de oorsprong van materie en het heelal zelf begrijpen.

De oerknal

Het heelal is enorm groot, maar volgens de oerknal-theorie heeft het zich vanuit een oneindig klein punt uitgebreid. Deze conclusie kwam door achterwaartse extrapolatie van de waarneembare uitdijing van het heelal door de tijd met behulp van de algemene relativiteit. Deze extrapolatie leidt terug naar een infinitesimaal punt met een oneindige dichtheid en temperatuur, waar geen enkele vorm van materie zou kunnen bestaan.

De Oerknal is terug te voeren tot een eindige tijd – 13.8 miljard jaar geleden, de bekende leeftijd van ons heelal. De eerste atomen die zich vormden waren waterstof en helium, die zich ongeveer 380.000 jaar na de oerknal begonnen te vormen.

Er zijn enkele fysische barrières die ons zicht op het heelal beperken. Wij kunnen namelijk alleen de delen van het heelal waarnemen vanuit gebieden waar de elektromagnetische straling de tijd heeft gehad om ons zonnestelsel te bereiken. We weten dus niet wat er voorbij de horizon van het waarneembare heelal ligt, dus wanneer we het aantal atomen berekenen, is onze aanname gebaseerd op het waarneembare heelal, en niet op het hele heelal.

Het kosmologisch principe

Een ander ding om te overwegen is de dichtheid en verdeling van materie in het heelal. Volgens het kosmologisch principe is het heelal homogeen en isotroop wanneer het op grote schaal wordt bekeken. Dit betekent dat de natuurkundige wetten in het heelal op uniforme wijze werken en geen waarneembare onregelmatigheden in grootschalige structuren zouden mogen vertonen. Dit geldt ook voor materie, die uniform verdeeld is over het heelal. Dit helpt bij het schatten van het aantal sterrenstelsels en sterren in het heelal, gemiddeld genomen. Dit principe stelt ook dat zwaardere elementen niet door de oerknal zijn ontstaan, maar later in reuzensterren zijn gevormd.

Het heelal ziet er, simpel gezegd, voor iedere waarnemer hetzelfde uit, vanaf elke plek waar hij naar kijkt; de materiedichtheid is op grote schalen gelijk.

Het aantal atomen in het waarneembare heelal

Voor deze berekening gaan we ervan uit dat het heelal alleen uit waterstofatomen bestaat. Dit geeft ons uniformiteit om de berekening te vergemakkelijken. We beginnen met de berekening van het aantal waterstofatomen in onze zon. De massa van de zon is 2,011×1033 g. De gemiddelde atoommassa van het waterstofatoom is 1,008 amu. Om het aantal atomen in de zon te krijgen, moeten we de massa van de zon delen door de molaire massa van het waterstofatoom en dat vermenigvuldigen met het getal van Avogadro. Avogadro’s getal is het aantal elementaire deeltjes, zoals moleculen, atomen, verbindingen, enz. per mol van een stof; dit geeft ons het aantal atomen.

Het aantal atomen in de zon komt uit op 1,201×1057. We weten dat er ongeveer 1011 sterren in ons melkwegstelsel, de Melkweg, zijn. Het aantal atomen in ons melkwegstelsel komt dus op 1,201×1068 als het aantal sterren wordt vermenigvuldigd met het aantal atomen in de zon.

Voor het waarneembare heelal weten we dat er ongeveer 1011 melkwegstelsels zijn. We vinden het aantal atomen in het heelal door het aantal atomen in ons melkwegstelsel te vermenigvuldigen met het aantal melkwegstelsels in het heelal. Het totaal aantal atomen in het heelal komt dan op… 1078!

Een andere manier om deze berekening uit te voeren is door de massa van het heelal te berekenen. We weten dat er gemiddeld ongeveer 400 miljard sterrenstelsels in het waarneembare heelal zijn, wat neerkomt op ongeveer 1,2 x 1023 sterren of meer dan 100 sextiljoen. Gemiddeld weegt een ster ongeveer 1035 gram, wat de totale massa van het heelal op 1058 of 1,2 x 1052 metrische ton brengt. Elke gram materie bevat ongeveer 1024 protonen, wat hetzelfde is als we aannemen dat alle atomen waterstof zijn, aangezien een waterstofatoom slechts één proton bevat. Het totaal aantal waterstofatomen bedraagt dan 1086 of honderdduizend quadriljoen vigintillion.

Deze ruwe berekeningen lopen uiteen van 1078 tot 1086. In lekentaal is dit ongeveer tien quadriljoen vigintiljoen en honderdduizend quadriljoen vigintiljoen atomen. Beter nog, het zou lijken op 10 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 atomen… veel nullen inderdaad!

Ook al lijkt dat aantal atomen veel, toch bestaat materie slechts uit 4,9% van het waarneembare heelal. De rest bestaat uit 68,3% donkere energie en 26,8% donkere materie. Ook wordt aangenomen dat donkere energie en donkere materie, net als normale materie, gelijkmatig verdeeld of georganiseerd zijn in klonters door het heelal. Hun eigenschappen zijn grotendeels onbekend, maar men is het erover eens dat zij helpen bij de uitdijing van het heelal.

We moeten opmerken dat dit ruwe schattingen zijn, gebaseerd op vele brede veronderstellingen. Naarmate de wetenschap voortschrijdt, zullen we nog betere manieren bedenken om nauwkeurigere schattingen te maken, namelijk door het heelal in computers te simuleren.

In elk geval zullen de atomen blijven veranderen in verschillende arrangementen van andere dingen, net zoals de atomen die ooit in een ster zaten nu jou en mij vormen. Met dit alles in gedachten, zal het moeilijk zijn om ooit te vergeten dat je gemaakt bent van sterspul!