De eerste minuten na de Oerknal

Als we teruggaan in de tijd, steeds dichter naar de Oerknal, verliezen we steeds meer van onze vertrouwde beelden van het heelal. Er zijn geen sterrenstelsels meer, geen sterren meer en nog als we nog dichter naar de Oerknal teruggaan zelfs geen atomen, geen atoomkernen, geen elektronen, geen quarks en zelfs geen elementaire deeltjes meer. Er is dan alleen maar energie en de temperatuur en de druk zijn verschrikkelijk hoog. Uit deze extreem hete energiebal is uiteindelijk het hele universum ontstaan. Natuurkundigen denken te kunnen verklaren wat er in de eerste seconden na de Oerknal is gebeurd, hoewel het moment van de Oerknal zelf nog een groot raadsel is.

De Oerknal is een kosmologische theorie die op basis van de algemene relativiteitstheorie veronderstelt dat 13,798 (met een onzekerheid van 0,037) miljard jaar geleden het heelal ontstond uit een enorm heet punt (ca. 10²⁸ K), met een oneindig grote dichtheid. Zo’n punt noemen we een singulariteit. Tijdens de Oerknal zouden ruimte en tijd zijn ontstaan. De grondlegger van deze theorie was Georges Lemaître, een veelzijdige Belgische katholieke priester, astronoom, kosmoloog, wiskundige en natuurkundige. Hij kwam in 1927 tot de conclusie dat het heelal uitdijde, na onderzoek aan roodverschuivingen in het spectrum van sterrenstelsels. Ook berekende hij de constante (snelheid van uitdijing) twee jaar voor Edwin Hubble dit deed. De uitkomsten van onderzoeken van Edwin Hubble bevestigden de stelling van Georges Lemaître. Lemaître beredeneerde dat een uitdijend heelal een beginpunt zou moeten hebben. In 1931 brengt hij, tegen alle toenmalige wetenschappelijke opvattingen in, de stelling naar voren dat het heelal ooit als een superdichte massa moet zijn begonnen. Hij noemde dit “de dag zonder gisteren”. Hij concludeerde dat niet alleen ruimte en materie toen ontstond maar dat hiermee ook de tijd begon. De oerknaltheorie is nog steeds het standaard scheppingsverhaal voor de moderne wetenschap.

Als we het heelal in zijn totaliteit bekijken, bestaat het globaal gezien uit materie (zowel zichtbare- als donkere materie), straling en donkere energie. Materie kennen we in de vorm van protonen, elektronen en neutronen die samen atomen vormen waaruit alles is gemaakt. Wat donkere materie is, weet men niet exact, maar er zijn natuurlijk wel verschillende theorieën. Donkere energie is een mysterieuze, afstotende kracht die zorgt voor het versneld uitdijen van het heelal. Donkere materie is een nog groter probleem in de wetenschap. Het zou er moeten zijn, maar wat het is…

Wetenschappers hebben geprobeerd te berekenen hoeveel massa en energie er in het heelal aanwezig moet zijn en hoe dit is verdeeld. Momenteel denkt men dat het heelal voor ongeveer 74% uit donkere energie bestaat, voor 22% uit donkere materie en voor maar 4% uit normale (zichtbare) materie. Maar deze verdeling is niet altijd zo geweest. Als we teruggaan in de tijd, laten we zeggen zo’n vier miljard jaar terug, dan verwacht men dat de verhouding materie en donkere energie in evenwicht was. In de tijd daarvoor was de hoeveelheid materie veel en veel meer dan de hoeveelheid donkere energie. Maar toen het heelal ongeveer 50.000 jaar oud was, was de hoeveelheid materie in evenwicht met de hoeveelheid straling. Dat betekent dat de eerste 50.000 jaar de straling in het heelal verreweg dominant. De kosmische achtergrondstraling die ontstond toen het heelal 379.000 jaar oud was is hier het overduidelijke bewijs van.

Tegenwoordig kennen we vier fundamentele natuurkrachten in het heelal die zowel het uiterlijk als het gedrag van alles om ons heen bepalen. Dit zijn (inclusief de zogenaamde ijkbosonen):

• de sterke kernkracht, die de protonen en neutronen in de kern van atomen bij elkaar houdt door middel van gluonen,
• de elektromagnetische kracht, die de elektronen bij een atoom vasthoudt door middel van fotonen,
• de zwakke kernkracht, die een rol speelt in diverse vervalprocessen door middel van W-bosonen en Z-bosonen,
• de zwaartekracht, die de materie op grote schaal bij elkaar houdt door middel van het nog niet ontdekte (dus hypothetisch) graviton.

Deze vier krachten hebben nu verschillende eigenschappen, maar wetenschappers gaan ervan uit dat deze vier krachten in het allereerste moment van de Oerknal samen één kracht waren, de zogenaamde oerkracht. In de theoretische natuurkunde probeert men deze krachten in een theorie samen te brengen. Deze theorie noemt men ook wel de Theorie van Alles of Grote Unificatietheorie. Maar deze theorie is nog zeker niet af.

In 1965 werd per toeval de kosmische achtergrondstraling ontdekt. En deze straling bewijst dat het vroege heelal voornamelijk bestond uit straling, extreem hoge temperatuur en extreem hoge druk. Om enig inzicht te krijgen wat er gebeurt met straling en materie in een veld met een extreem hoge druk en temperatuur moeten we eerst iets over de zogenaamde “paarproductie” bespreken. Bij paarproductie kunnen twee fotonen (energiepakketjes of lichtpakketjes) een deeltje en zijn antideeltje vormen. Dus door paarproductie kan materie dus rechtstreeks zijn ontstaan uit elektromagnetische straling. Het omgekeerde, dus dat een deeltje en zijn antideeltje botsen, is ook mogelijk en daarbij ontstaat dan weer elektromagnetische straling (dit alles volgt uit de beroemde formule van Einstein, E=mc²). Hoe hoger de temperatuur, hoe meer energie een foton kan bezitten en hoe groter de massa van het deeltje is dat kan ontstaan. Ieder deeltje heeft een kritieke temperatuur waarboven paarproductie mogelijk is, een zogenaamde drempeltemperatuur. Voor elektronen is dit ongeveer 6 x10⁹ Kelvin. Voor protonen, die bijna 2000 keer zwaarder zijn, is deze drempeltemperatuur 10¹³ Kelvin. Alles om ons heen, sterker nog, alles in het heelal is ontstaan uit paarproductie toen het jonge heelal uitzette en afkoelde. Toch is er ergens iets niet helemaal goed gegaan. Er moeten namelijk op een gegeven moment meer deeltjes dan antideeltjes zijn ontstaan. Anders zouden wij mensen er bijvoorbeeld nooit kunnen zijn. Onze materie zou dan allang zijn samengesmolten met de bijbehorende antideeltjes tot pure energie.

Onderzoek naar de opbouw en ontstaan van elementaire deeltjes gebeurt in een deeltjesversneller. De meest bekende zijn de Large Hadron Collider (LHC) in Zwitserland (CERN) en de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in New York. Hier laat men geladen deeltjes versnellen tot ze de lichtsnelheid benaderen. Daarna laat men ze op elkaar botsen. Op deze manier probeert men massa om te zetten in energie en energie in massa, precies zoals Einstein dit had voorspeld. Doordat een deeltjesversneller de deeltjes een enorme snelheid geeft, krijgen de deeltjes ook gigantisch veel energie. Als de deeltjes op elkaar botsen komt alle energie in een keer vrij en ontstaat er een zee van nieuwe deeltjes. Gekscherend worden al deze deeltje samen ook we de deeltjesdierentuin genoemd. Op deze manier hopen wetenschappers nieuwe fundamentele deeltjes te ontdekken.

De eerste seconde van Oerknal
Alles wat we weten over de eerste seconde van de Oerknal is voornamelijk theoretisch. Het speelt zich af in de bizarre wereld van de kwantummechanica waar dingen spontaan ontstaan en verdwijnen. Hier is een grote rol weggelegd voor de Large Hadron Collider (LHC) in Zwitserland (CERN) en de Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in New York. Daar probeert men antwoorden te vinden op de vele openstaande vragen over deze theorie.

Het Plancktijdvak: van 0 tot 10^-43 seconde
Over het echte begin tot de eerste 10^-43 seconde na de Oerknal (ook wel het Plancktijdvak genoemd) bestaan verschillende theorieën met verschillende voorspellingen. In dit tijdvak waren de huidige vier fundamentele krachten waarschijnlijk nog gebundeld tot één fundamentele kracht. De theorieën komen vaak in de problemen doordat er op subatomair niveau ook allerlei kwantumeffecten optreden. Aan het einde van het Plancktijdvak was de temperatuur van het heelal gedaald tot 10³² Kelvin. Het gebied waarover we het hier hebben heeft dan een doorsnede van 10^-33 cm. Het bestond voornamelijk uit straling en een reeks subatomaire deeltjes die door paarproductie waren ontstaan. Bij deze temperatuur maakte de zwaartekracht zich los van de oerkracht. Net zoals er voor (materie) deeltjes een drempeltemperatuur bestaat, bestaat dat ook voor krachtdeeltjes.

Het grote unificatietijdvak: van 10^-43 tot 10^-36 seconde
Tijdens de grote unificatie gaan de drie andere krachten, nog even gebundeld tot één kracht, samen verder. De temperatuur is gedaald tot 10²⁷ Kelvin. De eerste elementaire deeltjes (en antideeltjes) worden door paarproductie gemaakt. Dit tijdvak eindigt als de sterke kernkracht zich losmaakt van de elektromagnetische kracht. Dat gebeurt na 10^-36 seconde.

Het elektrozwakke tijdvak
Het inflatietijdvak: van 10^-36 tot 10^-32 seconde
Tussen de 10^-36 seconden en 10^-32 seconden expandeerde het prille heelal zich exponentieel. Deze inflatie vergrootte het volume van het prille heelal met een factor van ten minste 10⁷⁸. Sommige wetenschappers gaan ervan uit dat deze inflatie het gevolg was van de ontkoppeling van de zwaartekracht en de “oerkracht”. De inflatie stopt als er opnieuw een opwarming plaatsvindt. De temperatuur ligt dan ergens tussen de 10²⁷ en 10²⁸ Kelvin. Het gebied heeft nu een doorsnede van minstens 100 cm. Dat is een groei van een factor 10³⁵ vanaf het Plancktijdvak. Aan het einde van dit tijdvak was het heelal een dichte, hete plasma van quarks, antiquarks en gluonen. Het inflatietijdvak is onderdeel van het elektrozwakke tijdvak.

Het elektrozwakke tijdvak: van 10^-36 tot 10^-12 seconde
Nu zijn we aanbeland bij het elektrozwakke tijdvak. Dit begon toen de sterke kernkracht zich ontkoppelde van zwakke kernkracht bij een temperatuur van 10²⁸ Kelvin. De interacties van de deeltjes tijdens dit tijdvak waren energiek genoeg om grote aantallen exotische deeltjes te doen ontstaan. Ook het W- en Z-boson en het Higgs boson (het boson waarvan verondersteld wordt dat het alle andere deeltjes massa geeft) zijn in deze periode ontstaan. Dit tijdvak eindigt als de zwakke kernkracht zich losmaakt van de elektromagnetische kracht. Dat gebeurt na 10^-12 seconde.

Het quarktijdvak: van 10^-12 tot 10^-6 seconde
Het heelal blijft verder uitdijen en afkoelen. Dit tijdvak wordt het quarktijdvak genoemd. In dit tijdvak zijn de vier fundamentele krachten losgekoppeld van elkaar. Het heelal bestaat uit een quark-gluonplasma en uit andere elementaire deeltjes. Maar de temperatuur was nog te hoog voor de gluonen om quarks te combineren tot hadronen. Door botsingen worden deeltjes en antideeltjes van allerlei soorten continu gemaakt en vernietigd. Deze periode is in 2012 bij CERN met de LHC in Genève al nagebootst.

Het hardonentijdvak: van10^-6 tot 1 seconde
De temperatuur daalt in het hadronentijdvak tot 10¹³ Kelvin. De temperatuur is voldoende afgekoeld voor gluonen om quarks te koppelen tot hardonen. Dit heeft tot gevolg dat er baryonen zoals protonen en neutronen kunnen worden gevormd. In dit tijdvak ontstaat om een of andere nog onbekende reden ook baryogenese. Baryogenese veroorzaakt een asymmetrie tussen baryonen en anti-baryonen waardoor er uiteindelijk meer baryonen (protonen en neutronen) in het heelal overblijven.

Het leptonentijdvak: van 1 tot 10 seconden
De temperatuur is ondertussen gedaald tot 10¹⁰ Kelvin en het heelal heeft inmiddels een diameter van 10^19,5 cm. Bij deze temperatuur ontstonden nog steeds leptonen en anti-leptonen die door annihilatie ook weer verdwenen. Toen de temperatuur nog verder daalde stopte de vorming van leptonen en anti-leptonen. Een groot deel van deze leptonen en anti-leptonen waren door annihilatie al verdwenen.

De eerste minuten van de Oerknal
Het oerknal-nucleosynthesetijdvak: van 10 seconden tot 20 minuten
Dit tijdvak wordt het fotonen tijdvak genoemd en duurt tot ongeveer 379.000 jaar na de Oerknal. Van 10 seconden tot 20 minuten vindt de oerknal-nucleosynthese plaats. De temperatuur is door de uitdijing verder gedaald tot 10⁹ Kelvin. De dichtheid van het heelal is nu ongeveer zoals dat van lucht. Elektronen en zijn antideeltjes, de positronen, annihileren (smelten samen) en hieruit ontstaan weer fotonen. De temperatuur is zover gedaald dat neutronen en protonen niet meer ongehinderd in elkaar kunnen overgaan. Als gevolg hiervan zijn er zeven keer zoveel protonen als neutronen. Ondertussen binden neutronen zich aan protonen en er ontstaan deuteriumkernen (een stabiele isotoop van waterstof). Bijna al deze waterstofkernen versmelten tot heliumkernen in deze fase. Ook andere elementen zoals tritium, helium-3, helium-4 en lithium-7 ontstaan in dit tijdvak.

Nog later na de Oerknal
Na ongeveer 379.000 jaar worden elektronen en kernen gecombineerd en nu ontstaan de eerste atomen (voornamelijk waterstof). De straling koppelt zich los van de materie en gaat grotendeels ongehinderd de ruimte door. Deze straling noemen we de kosmische microgolfachtergrondstraling. Het zal vanaf hier nog 100 tot 200 miljoen jaar duren voordat de eerste sterren door dichtheidfluctuaties ontstaan.