Wat is de oerknaltheorie?

De kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht door de Planck satelliet
De kosmische achtergrondstraling in kaart gebracht door de Planck satelliet. De kaart is gemaakt in 2013. Credit: ESA

De oerknaltheorie is de leidende theorie over het ontstaan van het heelal. Simpel vertelt zegt de theorie dat heelal zoals we dat nu kennen als een hele kleine singulariteit ontstond en opblies in de volgende 13,8 miljard jaar op tot het heelal dat we nu kennen.

Omdat onze huidige instrumenten niet in staat zijn om terug te kijken naar de geboorte van het heelal is veel van onze kennis over de oerknal gebaseerd op modellen en wiskundige formules. Astronomen kunnen echter wel de echo van de uitdijing van het heelal waarnemen door een fenomeen dat bekend staat als de kosmische achtergrondstraling. De oerknaltheorie wordt door de meerderheid van de astronomische gemeenschap geaccepteerd maar er zijn ook astronomen die alternatieve verklaringen hebben zoals een eeuwig uitdijend heelal of een trillend heelal.

De eerste seconde en de geboorte van het licht

Volgens de NASA bedroeg in de eerste seconde na het ontstaan van het heelal de omringende temperatuur ongeveer 5,5 miljard °Celsius. Het heelal bevatte fundamentele deeltjes zoals neutronen, elektronen en protonen. Deze vervielen of smolten samen toen het heelal afkoelde. Deze oersoep was onzichtbaar omdat er geen licht in verplaatst kon worden. De vrije elektronen zouden er voor gezorgd hebben dat licht (fotonen) op een manier wordt gebroken zoals ook zonlicht wordt gebroken door waterdruppels in wolken. Echter na verloop van tijd vormden elektronen en kernen samen neutrale atomen. Hierna kon licht wel gaan schijnen. Dit was ongeveer 380.000 jaar na de oerknal.

Dit vroege licht wordt soms wel de nagloed van de oerknal genoemd – is beter bekend als de kosmische achtergrondstraling. De kosmische achtergrondstraling werd in 1948 door Ralph Alpher en anderen voorspeld maar werd pas ongeveer 20 jaar later per toeval gevonden. Arno Penzias en Robert Wilson, beiden werkzaam bij Bell Laboratories, bouwden in 1965 een radio ontvanger en ze ontvingen hoger dan verwachte temperaturen op. Eerst dachten ze dat het een afwijking was die werd veroorzaakt door duivenstront in de detector maar nadat ze de troep hadden opgeruimd en voorkwamen dat de duiven in de antenne terechtkwamen bleek dat het signaal er nog steeds was.

Gelijktijdig probeerde een team van de Universiteit van Princeton onder leiding van Robert Dicke bewijs te vinden voor de kosmische achtergrondstraling. Ze realiseerden zich dat Penzias en Wilson het per toeval hadden gevonden. De eerste artikelen over de ontdekking van de achtergrondstraling werden in 1965 gepubliceerd in het tijdschrift Astrophysical Journal.

Het bepalen van de leeftijd van het heelal

De kosmische achtergrondstraling is met behulp van verschillende missies bestudeerd. Eén van de bekendste missies van de COBE-missie van de NASA in de jaren 90 van de vorige eeuw (COBE = Cosmic Background Explorer). Na de COBE-missie zijn er nog andere missies uitgevoerd om de kosmische achtergrond te bepalen zoals de BOOMERanG (Balloon Observations of Millimetric Extragalactic Radiation and Geophysics), De Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) van de NASA en de Europese Planck satelliet.

De eerste waarnemingen van de Planck werden in 2013 gepubliceerd en ze toonden de achtergrondstraling in ongekend detail en lieten zien dat het heelal ouder was dan eerder werd aangenomen, namelijk 13,82 miljard jaar in plaats van 13,7 miljard jaar. Maar de kaarten van de Planck roepen ook nieuwe vragen op want waarom lijkt het zuidelijk halfrond warmer dan het noordelijk halfrond. De oerknaltheorie zegt dat de kosmische achtergrondstraling overal gelijk moet zijn, waar je ook kijkt.

Door de kosmische achtergrondstraling te bestuderen krijgen onderzoekers ook meer aanwijzingen over de samenstelling van het heelal. Astronomen denken dat het heelal bestaat uit materie en energie die met conventionele instrumenten niet kan worden gezien. Slechts 5% van het heelal bestaat uit materie zoals planeten, sterren en sterrenstelsels.

Gravitatiegolven controverse

Terwijl astronomen mogelijk het begin van het heelal kunnen zien wordt er ook gezocht naar een bewijs voor de snelle uitdijing. Theoretici zeggen dat één seconde na de geboorte van het heelal ons heelal sneller dan het licht groter werd. Dat bijt zich overigens niet met de relativiteitstheorie van Einstein want die zegt het licht het snelste is dat in het heelal kan reizen. Maar dat had geen betrekking op de uitdijing van het heelal zelf.

In 2014 beweerden astronomen dat ze het bewijs hadden gevonden in de kosmische achtergrondstraling met betrekking tot de B-modes. Dit is een soort van polarisatie die werd gegenereerd toen het heelal groter werd en zwaartekrachtgolven maakte. Dit bewijs werd verzameld met de BICEPS2 (Backgrond Imaging of Cosmic Extragalactic Polarization), een telescoop op Antarctica. Enkele maanden later werden de resultaten in twijfel getrokken want de meetresultaten werden sterk beïnvloed door galactisch stof dat zich in de waarneemrichting van de BICEP2 bevond.

Zwaartekrachtgolven zijn bevestigd door bewegingen en botsingen van zwarte gaten te bestuderen die enkele tientallen keren meer massa hebben dan onze Zon. Deze golven zijn sinds 2016 verschillende keren waargenomen met de Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO). Met het toenemen van de gevoeligheid van LIGO verwacht men dat er meer zwaartekrachtgolven waargenomen gaan worden die worden veroorzaakt door zwarte gaten.

Snellere uitdijing, multiversums en de start van het heelal

Het heelal dijt niet alleen uit maar doet dat ook steeds sneller. Dit betekent dat we na verloop van tijd geen andere sterrenstelsels meer kunnen waarnemen vanaf de Aarde of een ander punt in ons sterrenstelsel. We zien dat verre sterrenstelsels zich van ons verwijderen en dat hun snelheid in de tijd toeneemt dus als we lang genoeg wachten dan verwijderen die sterrenstelsels zich met de snelheid van het licht. Dat betekent ook dat licht niet meer de afstand tussen dat stelsel en ons eigen stelsel kan overbruggen. Er is geen enkele manier om met buitenaards leven in een ander sterrenstelsel te communiceren want signalen kunnen ons niet bereiken doordat hun stelsel relatief sneller het het licht beweegt ten opzichte van ons.

Oerknal - de uitdijing van het heelal
De tijdlijn van het heelal gebaseerd op de oerknal en inflatietheorieën. Credit: NASA/WMAP

Sommige natuurkundigen denken dat het heelal dat wij kennen er slechts eentje van vele is. In het multiversum model bestaan verschillende universums als bubbels naast elkaar. Deze theoretici zegen dat bij de eerste sterke uitdijing verschillende delen van de ruimte-tijd met verschillende snelheden groeiden. Hierbij zouden verschillende secties – verschillende universums – zijn ontstaan met mogelijk allemaal andere natuurkundige wetten. Volgens die natuurkundigen is het lastig om inflatiemodellen op te stellen die niet leiden naar een multiversum.

We kunnen ondertussen begrijpen hoe het heelal dat we zien zo is geworden maar het is heel goed mogelijk dat de oerknal niet de eerste periode was waarin het heelal uitdijde. Theoretici denken dat we in een heelal leven dat regelmatige cycli van inflatie en deflatie doormaakt en dat we ons nu net in een van die fases bevinden.

 

Eerste publicatie: 19 juni 2017