Een overzicht van temperatuurverschillen in de kosmische microgolfachtergrond, gegenereerd toen de melkweg minder dan 400.000 jaar oud was, gemaakt op basis van negen jaar observaties van de Wilkinson Microgolfanisotropiesonde (WMAP).
(Afbeelding: © NASA)
Paul Sutter is astrofysicus aan de Ohio State University en de hoofdwetenschapper aan het COSI science center. Sutter is ook gastheer van "Ask a Spaceman", "Space Radio" en leidt AstroTours over de hele wereld. Sutter droeg dit artikel bij aan Space.com's Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Het Big Bang-model is onze meest succesvolle verklaring voor de geschiedenis van het universum waarin we leven, en het is belachelijk eenvoudig om zijn kernraamwerk in één T-shirt-zin samen te vatten: lang geleden was ons universum een stuk kleiner. Uit deze eenvoudige verklaring vloeien belangrijke testbare voorspellingen voort die zijn geverifieerd door tientallen jaren van observatie. De uitbreidingssnelheid van het universum. De kosmische microgolfachtergrond. De productie van de lichtste elementen. De verschillen tussen nabije en verre sterrenstelsels. Alle sappige bewijzen die van kosmologie een wetenschap maken.
Maar er zijn enkele problemen. [The Universe: Big Bang to Now in 10 Easy Steps]
Het "vanille" Big Bang-model, zonder enige andere toevoegingen of wijzigingen, kan niet alle waarnemingen verklaren.
(VideoProviderTag | jwplayer | uQ0wgEwg | 100% | 100%))
Ogen aan de horizon
We kunnen een enorm volume aan ruwe ruimte zien. Ons waarneembare heelal heeft een diameter van meer dan 90 miljard lichtjaar. En hoe verder we kijken, hoe dieper we in het verleden kijken. Om ons heen is de kosmische microgolfachtergrond, het overgebleven fossiele licht dat vrijkwam toen het universum nog maar net een pasgeboren baby was - slechts 270.000 jaar oud, ruim 13,8 miljard jaar geleden.
Dat licht komt naar ons toe vanuit verre uithoeken van de kosmos, zo ver weg dat het nu voor ons ontoegankelijk is. En verschillende delen van dat achtergrondlicht zijn niet voor elkaar toegankelijk. In het prachtige natuurkundejargon zijn gebieden van de kosmische microgolfachtergrond niet causaal verbonden. Met andere woorden, voor een deel van de grenzen van ons waarneembare universum om in de afgelopen 13,8 miljard jaar met een ander deel te communiceren, zouden ze signalen sneller moeten verzenden dan de lichtsnelheid.
Wat helemaal niet erg zou zijn als de kosmische achtergrond van de magnetron niet helemaal perfect glad was. Het kinderuniversum had dezelfde temperatuur tot een deel op een miljoen. Hoe werd iedereen zo goed gecoördineerd toen veranderingen op één gebied niet genoeg tijd hadden om anderen te beïnvloeden?
Recht en smal
Zo goed als we kunnen meten, lijkt de geometrie van ons universum perfect, totaal, altijd zo saai plat. Op grote, kosmische schalen blijven parallelle lijnen voor altijd parallel, binnenhoeken van driehoeken lopen op tot 180 graden, enzovoort. Alle regels van de Euclidische meetkunde die je op de middelbare school hebt geleerd, zijn van toepassing.
Maar dat is er niet reden dat ons universum plat is. Op grote schaal had het elke gewenste oude kromming kunnen hebben. Onze kosmos had de vorm kunnen hebben van een gigantische, multidimensionale strandbal of een paardrijzadel. Maar nee, het koos plat. En niet alleen een beetje plat. Om in het huidige universum geen kromming tot een nauwkeurigheid van enkele procenten te kunnen meten, moet de jonge kosmos tot op een miljoen procent plat zijn geweest.
Waarom? Van alle mogelijke keuzes voor kromming, lijkt bijna perfect vlak niet een beetje verdacht? En inderdaad, we vermoeden dat er een reden is voor de platheid, en het is niet alleen een geluksworp van de dobbelstenen.
Slechts één paal
Magnetische monopolen zijn theoretische beesten; breuken in de ruimtetijd zelf die slechts een van de magnetische polen vertonen - stel je een noord- of zuidpool deeltje voor dat ronddwaalt in zijn eenzame. (In materie zoals we die kennen, zal een object met een magnetisch noorden ook een magnetisch zuiden hebben aan de andere kant.) Volgens onze beste modellen van het buitengewoon vroege universum (zoals in, toen het ongeveer 10 ^ -35 seconden oud was, en nee, dat is geen typfout) het exotische proces had onze kosmos absoluut moeten overspoelen met deze nasties.
Deze monopolen zouden zo gewoon moeten zijn dat ze een normaal onderdeel zouden zijn van ons dagelijkse kosmologische leven. En toch hebben we geen enkel bewijs gezien. Nul. Zilch. Er lijken geen monopoolmonsters op de loer te liggen in de brakke wateren van het donkere universum.
Dus waar gingen ze heen? Ze hadden in overvloed moeten worden vervaardigd, net zoals ons universum interessant werd, maar ze zijn nergens te vinden.
Maak het gewoon groot
De beste oplossing die we hebben voor deze problemen is een proces dat inflatie wordt genoemd. Het idee werd voor het eerst voorgesteld - en bedacht! - door natuurkundige Alan Guth in 1980, toen hij suggereerde dat hetzelfde exotische proces dat het universum overspoelde met magnetische monopolen de kosmos in een periode van verbluffend snelle expansie had kunnen sturen.
Stel je voor dat ik je een ballon zou geven - je lichaam, lef, hersenen, skelet, de hele deal - zo groot als ons hele waarneembare universum. En stel je voor dat ik er minder dan 10 tot 32 seconden voor nodig had. Dat is een serieuze uitbreiding, en precies wat we bedoelen met inflatie. Toen ons universum ongelooflijk jong was, stelde Guth voor opgeblazen tot zulke gigantische schubben in minder dan een oogwenk.
Dat was voor Guth de schoonste weg om het monopoolprobleem op te lossen. Door het universum zo verdomd te maken groot, worden de monopolen gewoon verdund. Onze waarneembare plek in het universum is maar een klein hoekje van de hele keet, en er is zoveel volume dat we niet mogen verwachten dat we ooit een monopool zullen tegenkomen.
Dit inflatoire tijdperk lost ook de andere twee tekortkomingen van de vanille-oerknal op. Het pre-inflatoire universum had voldoende tijd om de temperaturen te coördineren en te egaliseren voordat het naar een veel grotere staat suisde en eenmaal verbonden gebieden buiten verder contact gooide. En in zo'n enorm grote kosmos konden we niet anders dan een vlakke geometrie meten in onze waarneembare patch. Wat maakt het uit wat de kromming van het hele universum is - het is zo groot dat het ons plat lijkt. De aarde is gebogen, maar mijn achtertuin is mooi vlak omdat hij zoveel kleiner is dan het oppervlak van onze planeet. Pas diezelfde logica toe op kosmologische schalen en je bent gouden.
Toch zijn de mechanismen die aan de inflatie ten grondslag liggen slecht begrepen, en om als een halfwaardige wetenschappelijke theorie te worden beschouwd, kan ze niet alleen de huidige waarnemingen verklaren, maar ook voorspellingen doen voor toekomstige.
En dat is het verhaal voor nog een dag.
Lees meer door te luisteren naar de aflevering "Waarom hebben we kosmische inflatie nodig? (Deel 2)" in de Ask a Spaceman-podcast, beschikbaar op iTunes en op internet op http://www.askaspaceman.com. Met dank aan Massimiliano S., Lorenzo B., @ZachCoty, Pete E., Christian W., @up_raw, Vicki K., Thomas, Banda C., Steve S., Evan W., Andrew P., @MarkRiepe, @ Luft08, @kazoukis, Gordon M., Jim W., Cosmic Wakes, Floren H., Gabi P., Amanda Z. en @scaredjackel voor de vragen die tot dit stuk hebben geleid! Stel je eigen vraag op Twitter met #AskASpaceman of door Paul @PaulMattSutter en facebook.com/PaulMattSutter te volgen. Volg ons op Twitter @Spacedotcom en op Facebook. Origineel artikel op Space.com.
