Als je op dit plaatje klikt, zie je een inzoombaar plaatje van de Melkweg met 84 miljoen sterren:

Maar sterren dragen maar een heel klein beetje bij aan de totale entropie in het waarneembare Heelal. Als je willekeurige informatie wilt, zoek dan ergens anders!

Eerst: wat is het ‘waarneembare heelal’ precies?

Hoe verder je in het heelal kijkt, hoe verder je terug in de tijd kijkt. Je kunt niet door het hete gas van 380.000 jaar na de oerknal heen kijken. Die ‘muur van vuur’ geeft de grenzen aan van het waarneembare heelal.

Maar naarmate het heelal uitdijt, zijn de verre oude sterren en het gas dat we zien nog verder weg komen te staan, zodat ze niet meer waarneembaar zijn. Het zogenaamde ‘waarneembare heelal’ is dus eigenlijk het ‘voorheen waarneembare heelal’. De rand ervan is nu 46,5 miljard lichtjaar weg!

Dit is waar, ook al is het heelal slechts 13,8 miljard jaar oud. Een standaard uitdaging bij het begrijpen van de algemene relativiteit is om uit te vinden hoe dit mogelijk is, aangezien niets sneller kan bewegen dan het licht.

Wat is het totale aantal sterren in het waarneembare heelal? De schattingen worden hoger naarmate de telescopen beter worden. Op dit moment denkt men dat er tussen de 100 en 400 miljard sterren in de Melkweg zijn. Ze denken dat er tussen de 170 miljard en 2 biljoen sterrenstelsels in het heelal zijn.

In 2009 hebben Chas Egan en Charles Lineweaver de totale entropie van alle sterren in het waarneembare heelal geschat op 1081 bits. Je moet dit zien als qubits: het is de hoeveelheid informatie om de quantumtoestand van alles in al die sterren te beschrijven.

Maar de entropie van interstellair en intergalactisch gas en stof is ongeveer tien keer zo groot als de entropie van sterren! Het is ongeveer 1082 bits.

De entropie in alle fotonen in het heelal is zelfs nog meer! Het heelal zit vol met straling die is overgebleven van de oerknal. De fotonen in het waarneembare heelal die overgebleven zijn van de oerknal hebben een totale entropie van ongeveer 1090 bits. Dit wordt de ‘kosmische microgolf-achtergrondstraling’ genoemd.

De neutrino’s van de oerknal hebben ook een entropie van ongeveer 1090 bits, een beetje minder dan de fotonen. De gravitonen hebben veel minder, ongeveer 1088 bits. Dat komt omdat zij al heel vroeg van andere materie en straling zijn losgekoppeld, en sindsdien zijn afgekoeld. Anderzijds werden fotonen in de kosmische achtergrondstraling gevormd door annihilerende
elektron-positronparen tot ongeveer 10 seconden na de oerknal. De gravitonstraling zal dus naar verwachting koeler zijn dan de microgolf-achtergrondstraling: ongeveer 0,6 kelvin tegen 2,7 kelvin.

Zwarte gaten hebben immens veel meer entropie dan alles wat tot nu toe is opgesomd. Egan en Lineweaver schatten de entropie van zwarte gaten met een stellaire massa in het waarneembare heelal op 1098 bits. Dit houdt verband met waarom zwarte gaten zo stabiel zijn: de Tweede Wet zegt dat entropie graag toeneemt.

Maar de entropie van zwarte gaten groeit kwadratisch met de massa! Dus zwarte gaten hebben de neiging om samen te smelten en grotere zwarte gaten te vormen – uiteindelijk vormen ze de ‘superzware’ zwarte gaten in de centra van de meeste sterrenstelsels. Deze domineren de entropie van het waarneembare heelal: ongeveer 10104 bits.

Hawking voorspelde dat zwarte gaten hun massa langzaam wegstralen als ze zich in een voldoende koude omgeving bevinden. Maar het heelal is veel te heet voor superzware zwarte gaten om nu al massa te verliezen. In plaats daarvan groeien ze heel langzaam door het eten van de kosmische microgolfachtergrond, zelfs als ze geen sterren, gas en stof eten.

Dus pas in de verre toekomst zal het heelal voldoende afkoelen om grote zwarte gaten langzaam te laten vergaan via Hawkingstraling. De entropie zal blijven toenemen… voornamelijk in fotonen en gravitonen! Dit proces zal heel lang duren. Ervan uitgaande dat er niets in valt en dat er geen onbekende effecten tussenkomen, duurt het ongeveer 1067 jaar voordat een zwart gat met een massa van een zonnemassa verdampt door Hawkingstraling – terwijl een echt groot gat, vergelijkbaar met de massa van een sterrenstelsel, er ongeveer 1099 jaar over doet.

Als onze huidige populairste ideeën over donkere energie juist zijn, zal het heelal exponentieel blijven uitdijen. Hierdoor zal er rond elke waarnemer een kosmologische waarnemingshorizon ontstaan, die Hawking-straling zal uitstralen bij een temperatuur van ruwweg 10-30 kelvin.

In dit scenario zal het heelal in de zeer verre toekomst voornamelijk bestaan uit massaloze deeltjes die als Hawking-straling bij deze temperatuur worden geproduceerd: fotonen en gravitonen. De entropie in de exponentieel uitdijende bol ruimte die vandaag ons ‘waarneembaar heelal’ is, zal exponentieel blijven toenemen… maar meer nog, de entropiedichtheid zal die benaderen van een gas van fotonen en gravitonen in thermisch evenwicht bij 10-30 kelvin.

Het is natuurlijk heel goed mogelijk dat er tussen nu en dan nieuwe fysica opduikt die het verhaal verandert! Ik hoop het: dit zou een nogal saai einde van het heelal zijn.

Voor meer details, ga hierheen:

– Chas A. Egan and Charles H. Lineweaver, A larger estimate of the entropy of the universe, The Astrophysical Journal 710 (2010), 1825.

Lees ook mijn pagina over informatie.