Is het heelal open, gesloten, eindig of oneindig?

Wat zijn de theorieën over de leeftijd en de grootte van het heelal? Is het heelal eindig of oneindig groot? De Big Bang-theorie is sterk gebaseerd op de algemene relativiteitstheorie van Einstein, die het verband beschrijft tussen ruimte, tijd en zwaartekracht. Waarnemingen tonen aan dat de massa in het heelal erg homogeen verdeeld is. Dit maakt het mogelijk om betrekkelijk eenvoudig het heelal te beschrijven met de formules uit de algemene relativiteitstheorie: globaal gezien is overal het effect van de zwaartekracht gelijk! Deze veronderstelling van uniformiteit van het heelal is dan ook erg belangrijk voor de kosmologen, en wordt het "kosmologisch principe" genoemd. De algemene relativiteitstheorie zegt dat, als er geen massa aanwezig is, de ruimte vlak is. Eenvoudig gezegd betekent dit dat "rechtdoor" inderdaad gewoon "rechtdoor" is. Het effect van massa (de zwaartekracht) is de ruimte om zich heen te "krommen". Rechtdoor is dan niet meer rechtdoor. De kromming van het heelal. Aangezien de massa in het heelal, volgens het kosmologisch principe, globaal bekeken gelijkmatig verdeeld is, betekent dat ook dat het heelal overal even gekromd is, en dat we dus de "kromming van het heelal" voor het hele heelal ineens kunnen gaan onderzoeken. Naargelang de massa-dichtheid in het heelal, zijn er drie mogelijke situaties: de kromming van de ruimte kan positief zijn, negatief, of nul. Als er geen kromming is, is de ruimte vlak, zoals wij hem ons spontaan voorstellen. In elke richting kan je dan oneindig ver doorlopen. Het volume van het heelal is dan oneindig. Deze situatie kan echter enkel als het heelal "toevallig" nét een welbepaalde massadichtheid heeft, die we de "kritische massadichtheid" noemen. Men weet dat de kritische dichtheid erg laag is, zowat het gewicht van 6 waterstofatomen per kubieke meter. Bij positieve kromming zien we dat de ruimte een eindig volume heeft en dat je, als je maar lang genoeg rechtdoor gaat, terug op dezelfde plek uitkomt. Dit kan enkel als de dichtheid van het heelal groter is dan de kritische massadichtheid. Bij negatieve kromming is het volume van het heelal terug oneindig. De massadichtheid moet dan lager zijn dan de kritische massadichtheid. In twee dimensies heeft een oppervlak met negatieve kromming een zadelvorm.
Evolutie in de tijd. Een andere vraag is hoe het heelal nu verder zal evolueren. De uitdijing van het heelal wordt tegengewerkt door de zwaartekracht, die juist probeert alle hemellichamen bij elkaar te houden. Al naargelang de hoeveelheid materie aanwezig in het heelal doen zich de drie zelfde gevallen als hierboven voor. Een eerste mogelijkheid, als we te maken hebben met een heelal met positieve kromming, is dat ooit de uitzetting van het heelal door de zwaartekracht tot stilstand zal komen en overgaan in een ineenkrimping, tot er een omgekeerde Big Bang komt, een big crunch. In dat geval spreekt men van een gesloten heelal. Als de kromming negatief is zitten we in een open heelal. De uitdijing wordt door de zwaartekracht wel vertraagd, maar zal nooit stoppen. Een "vlak" heelal, is het grensgeval tussen de twee vorige. Het heelal blijft uitdijen, maar de expansiesnelheid wordt op den duur zeer klein. Mogelijk is daarmee nog niet alles gezegd. In 1999 onderzochten astronomen hoeveel de constante van Hubble bedraagt in verafgelegen melkwegstelsels, om zo te weten te komen hoe de uitdijingssnelheid van het heelal afneemt met de tijd. Deze metingen hebben echter aangetoond dat de uitdijingssnelheid niet afneemt, maar toeneemt! Erg recent (2002) werd dit via een andere meettechniek bevestigd. Indien dit het geval is dan leven we in een heelal met een toenemende expansiesnelheid. Deze keuze laat verder nog toe dat het heelal vlak, positief of negatief gekromd is. Maar is het heelal nou open, gesloten, eindig of oneindig? Uit de eerder gegeven informatie blijkt dat we dus de massa-dichtheid van het heelal moeten achterhalen, en dit vergelijken met de kritische dichtheid, die om en bij de 5×10^-27 kg/m3 bedraagt. Als we in het heelal rondkijken en het gewicht schatten van al wat we zien, komen we nog maar op ca. 1% uit van de kritische massa. Moeten we hieruit besluiten dat de dichtheid van het heelal onder de kritische massadichtheid ligt, en dat we daarom in een open en negatief gekromd universum leven? Nog niet. Er zijn aanwijzingen dat er in ons heelal een grote hoeveelheid donkere materie aanwezig is. Dit zou op zijn minst 10% van de kritische massa kunnen leveren. Misschien is het ook niet nodig om de volledige kritische massa te verzamelen. De recente waarnemingen, die erop zouden wijzen dat we in een heelal met versnellende uitdijing leven, suggereren het bestaan van een "kosmologische constante", die een deel van de vereiste massa zou compenseren... Men spreekt in dit verband soms ook over "donkere energie". Deze donkere energie zou de gravitatiekrachten, die de uitzetting proberen af te remmen, tegenwerken. Kosmologen willen geloven dat het heelal vlak is, en zijn dus naarstig op zoek naar de ontbrekende massa of verklaringen om dit experimenteel te staven. Momenteel zijn we alleszins nog niet in staat een ondubbelzinnige uitspraak te doen over de aard van ons heelal. De vragen rond de kromming en de toekomst van het heelal blijven dus voorlopig nog open. Of het heelal eindig of oneindig is, wij kunnen er alleszins maar een beperkt deel van zien en ervaren: het waarneembare heelal beperkt zich toch een sfeer van 10 à 15 miljard jaar rond ons melkwegstelsel. Wat zich daarbuiten afspeelt kan men niet meten, maar het kosmologisch principe doet ons vermoeden dat het daar net is zoals hier.