De oerknaltheorie vertegenwoordigt de beste pogingen van kosmologen om het 14 miljard jaar lange verhaal van het universum te reconstrueren op basis van het huidige bestaan.
Verschillende mensen gebruiken de term "Big Bang" op verschillende manieren. Over het algemeen illustreert het de boog van het waarneembare universum terwijl het uitdunde en afkoelde vanuit een aanvankelijk dichte, hete staat. Deze beschrijving komt neer op het idee dat de kosmos zich uitbreidt, een breed principe analoog aan het overleven van de sterkste in de biologie dat maar weinigen als discutabel zouden beschouwen.
Meer specifiek kan de oerknal ook verwijzen naar de geboorte van het waarneembare universum zelf - het moment dat er iets veranderde, wat de gebeurtenissen op gang bracht die tot vandaag leidden. Kosmologen hebben decennia lang ruzie gemaakt over de details van die fractie van een seconde, en de discussie gaat vandaag verder.
De klassieke Big Bang-theorie
Voor het grootste deel van de menselijke geschiedenis gingen de waarnemers van de lucht ervan uit dat deze eeuwig en onveranderlijk was. Edwin Hubble behandelde dit verhaal een experimentele klap in de jaren twintig van de vorige eeuw, toen uit zijn waarnemingen bleek dat sterrenstelsels buiten de Melkweg bestonden en dat hun licht uitgerekt leek - een teken dat ze van de aarde wegrenden.
George Lemaître, een hedendaagse Belgische fysicus, interpreteerde gegevens van Hubble en anderen als bewijs van een zich uitbreidend universum, een mogelijkheid die werd toegestaan door Einsteins recent gepubliceerde veldvergelijkingen van algemene relativiteitstheorie. Achteruit denkend, concludeerde Lemaître dat de hedendaagse scheidingsstelsels samen begonnen moeten zijn in wat hij het 'oeratoom' noemde.
Het eerste openbare gebruik van de moderne term voor Lemaître's idee kwam eigenlijk van een criticus - de Engelse astronoom Fred Hoyle. Op 28 maart 1949 bedacht Hoyle de uitdrukking tijdens een verdediging van zijn voorkeurstheorie van een eeuwig universum dat materie creëerde om de verwatering van expansie op te heffen. Hoyle zei dat het idee dat "alle materie van het universum in een oerknal op een bepaald moment in het verre verleden werd gecreëerd", irrationeel was. In latere interviews ontkende Hoyle opzettelijk het bedenken van een lasterlijke naam, maar de naam bleef hangen, tot grote frustratie van sommigen.
'De oerknal is een heel slechte term', zei Paul Steinhardt, een kosmoloog bij Princeton. 'The Big Stretch zou het juiste idee bevatten.' Het mentale beeld van een explosie veroorzaakt volgens Steinhardt allerlei verwarring. Het impliceert een centraal punt, een uitdijende grens en een scène waar lichte granaatscherven sneller vliegen dan zwaardere brokken. Maar een uitdijend universum lijkt daar helemaal niet op, zei hij. Er is geen centrum, geen rand en grote en kleine sterrenstelsels schuiven allemaal op dezelfde manier uit elkaar (hoewel verder weg gelegen sterrenstelsels sneller weggaan onder de kosmologisch recente invloed van donkere energie).
Ongeacht de naam, de oerknaltheorie vond brede acceptatie vanwege het ongeëvenaarde vermogen om uit te leggen wat we zien. De lichtbalans met deeltjes zoals protonen en neutronen gedurende de eerste 3 minuten liet bijvoorbeeld vroege elementen vormen met een snelheid die de huidige hoeveelheden helium en andere lichtatomen voorspelde.
'Er was een klein venster in de tijd waarin zich kernen konden vormen', zegt Glennys Farrar, een kosmoloog aan de New York University. 'Daarna bleef het universum zich uitbreiden en konden ze elkaar niet vinden, en daarvoor was het te heet.'
Een troebel plasma vulde het heelal de komende 378.000 jaar, totdat verdere afkoeling ervoor zorgde dat elektronen en protonen neutrale waterstofatomen vormden en de mist opklaarde. Het licht dat vrijkomt tijdens dit proces, dat zich sindsdien in microgolven heeft uitgestrekt, is het vroegst bekende object dat onderzoekers rechtstreeks kunnen bestuderen. Bekend als de kosmische achtergrondstraling (CMB), beschouwen veel onderzoekers het als het sterkste bewijs voor de oerknal.
Een explosieve update
Maar toen kosmologen verder teruggingen in de eerste momenten van het universum, ontrafelde het verhaal. De vergelijkingen van algemene relativiteitstheorie suggereerden een eerste vlekje van onbeperkte warmte en dichtheid - een bijzonderheid. Behalve dat het niet veel logisch was, kwam een enkele oorsprong niet overeen met de soepele, platte CMB. Fluctuaties in de formidabele temperatuur en dichtheid van de vlek zouden hemelstroken met verschillende eigenschappen hebben opgeleverd, maar de temperatuur van de CMB varieert met slechts een fractie van een graad. De kromming van ruimte-tijd ziet er ook vrij vlak uit, wat een aanvankelijk bijna perfecte balans van materie en kromming impliceert die de meeste kosmologen onwaarschijnlijk vinden.
Alan Guth stelde een nieuw beeld voor van de eerste fractie van een seconde in de jaren tachtig, wat suggereert dat het universum zijn vroegste momenten exponentieel sneller groeide dan nu het geval is. Op een gegeven moment stopte dit proces en het remmen veroorzaakte een dichte en hete (maar niet oneindig) puinhoop van deeltjes die de plaats inneemt van de singulariteit. 'In mijn eigen geest beschouw ik dat als de oerknal, toen het universum heet werd', zei Farrar.
De inflatietheorie, zoals hij wordt genoemd, heeft nu een overvloed aan concurrerende modellen. Hoewel niemand veel wist over de reden waarom het universum zo snel groeide, is de theorie populair geworden vanwege zijn vermogen om de schijnbaar onwaarschijnlijke, karakterloze CMB te verklaren: door inflatie werden kleine fluctuaties behouden (die zich ontwikkelden tot de huidige clusters van sterrenstelsels), terwijl de belangrijkste werden afgeplat. 'Het is een heel lief verhaal', zei Steinhardt, die de theorie hielp ontwikkelen. 'Het is degene die we onze kinderen vertellen.'
Voorbij inflatie
Recent onderzoek heeft twee rimpels geïntroduceerd in het kosmische verhaal van de inflatietheorie. Werk van Steinhardt en anderen suggereert dat de inflatie in sommige regio's (zoals ons waarneembare universum) zou zijn gestopt, maar in andere zou zijn doorgegaan en een reeks afzonderlijke gebieden zou hebben voortgebracht met 'elke denkbare reeks kosmologische eigenschappen', zoals Steinhardt het uitdrukt. Veel natuurkundigen vinden dit 'multiversum'-beeld onsmakelijk, omdat het een oneindig aantal niet-testbare voorspellingen doet.
Op experimenteel vlak verwachten kosmologen dat inflatie in de CMB melkwegomvattende zwaartekrachtgolven had moeten veroorzaken, net zoals het kleine temperatuur- en dichtheidsvariaties veroorzaakte. Huidige experimenten zouden gevoelig genoeg moeten zijn om ze te vinden, maar de oorspronkelijke ruimte-tijd rimpelingen zijn niet opgedoken (ondanks één vals alarm in 2014).
Veel onderzoekers wachten op nauwkeurigere CMB-metingen die de vele inflatiemodellen die nog steeds bestaan, zouden kunnen doden of valideren. Andere natuurkundigen zien de gladheid van de kosmos echter helemaal niet als een probleem - het begon uniform en behoeft geen uitleg.
Terwijl experimentalisten streven naar nieuwe niveaus van precisie, hebben sommige theoretici zich afgewend van inflatie om andere manieren te zoeken om het universum plat te drukken. Steinhardt werkt bijvoorbeeld aan een "big bounce" -model, dat de startklok nog verder terugduwt, naar een eerdere periode van contractie die de ruimtetijd gladstond en de weg vrijmaakte voor een explosieve expansie. Hij hoopt dat het niet lang zal duren voordat nieuwe handtekeningen, naast problemen als het gebrek aan oerzwaartekrachtgolven, kosmologen met een nieuw scheppingsverhaal zullen vertellen. 'Zijn er nog andere waarneembare kenmerken waarnaar moet worden gezocht?' Steinhardt zei: 'Vraag het me over een paar jaar opnieuw en ik hoop een antwoord te krijgen.'
Extra middelen:
