Waar komt de “knal” van de Oerknal vandaan?

Volgens de oerknaltheorie is het heelal rond de 13,8 miljard jaar geleden begonnen als een oneindig kleine en compacte vuurbal van materie en energie die is gaan uitzetten en afkoelde. Dat veroorzaakte uiteindelijk reacties waaruit sterren, sterrenstelsels en alle andere vormen van materie die we vandaag de dag kennen zijn ontstaan.

Maar vlak voordat deze Oerknal plaatsvond, verwachten natuurkundigen dat er een andere, heftiger en explosievere gebeurtenis was, namelijk de kosmische inflatie. In minder dan een triljoenste seconde werd materie snel opgeblazen tot de Oerknal het overnam. Op grond van recente waarnemingen kan men bewijs voor beide theorieën vinden. Er is alleen een probleem: deze processen verschillen zo enorm van elkaar dat het heel lastig voor te stellen is hoe het ene proces het andere proces opvolgde.

Een aantal natuurkundigen heeft nu een tussenfase van het vroege heelal gesimuleerd die mogelijk als overbrugging heeft gediend om van de kosmische inflatie naar de Oerknal te komen. Deze fase noemen we “opwarming”. In deze fase werd van de koude materie een hete en complexe soep gemaakt waardoor de voorwaarden voor de Oerknal werden geschapen. In deze periode barst de hel los en gedraagt de materie zich allesbehalve normaal. Het is dus eigenlijk de “knal” in de Oerknal. Wetenschappers hebben in detail onderzocht hoe meerdere vormen van materie hebben samengewerkt tijdens deze chaotische periode aan het einde van de inflatie. Hun simulaties laten zien dat de extreme energie die de inflatie aanjaagde, net zo snel had kunnen worden herverdeeld, binnen een nog kleinere fractie van seconde en op die manier precies de juiste omstandigheden creëerden dat nodig was voor een Oerknal. Ze ontdekten dat de extreme transformatie nog sneller en efficiënter zou zijn verlopen als de kwantumeffecten de manier hadden gewijzigd waarom de materie op de zwaartekracht reageerde. En dat wijkt dan af van de algemene relativiteitstheorie van Einstein.

De kosmische inflatie werd in de jaren 80 van de vorige eeuw door Alan Guth geïntroduceerd. Hij voorspelde dat het heelal begon als een heel kleine vlek materie, zo ongeveer een honderdste van een proton. Dat kleine stipje zat boordevol met energie, waardoor een druk van binnenuit naar buiten ontstond. De uitdijing naar buiten ging steeds sneller, tot een octiljoen keer zijn oorspronkelijke grootte (een 1 met 26 nullen!) in minder dan een triljoenste seconde!

De onderzoekers probeerden te ontdekken hoe de allervroegste fasen van het opwarmen (dus de fase net na de kosmische inflatie en net voor de Oerknal) eruit zou hebben kunnen gezien. In het allereerste begin van de opwarming waren er resonanties. Er was één specifieke vorm van hoogenergetische materie die domineert en deze materie schudt synchroon heen en weer. Daardoor worden er gigantisch veel nieuwe deeltjes gevormd. Na verloop van tijd zal de eerste fase overgaan in de volgende fase. De schommelingen worden schokkeriger en ongelijker. Met computersimulaties probeerden de onderzoekers te achterhalen hoe lang het zou duren totdat de resonantie-effecten zouden uitdoven en dat de geproduceerde deeltjes elkaar zouden verstrooien. Er zou dan een soort van thermisch evenwicht moeten ontstaan, dat lijkt op de omstandigheden waarmee de Oerknal begint.

Volgens de relativiteitstheorie van Einstein wordt de zwaartekracht als een constante gezien. Maar als er sprake is van zeer hoge energieen, zoals we deze tijdens de kosmische inflatie hadden, zal de materie op een iets ingewikkelder manier interactie aangaan met de zwaartekracht. Dat volgt uit de regels van de kwantummechanica. De wetenschappers ontdekten dat zij dit kwantumeffect in het model zo konden instellen, zodat deze cruciale fase precies binnen de berekende tijd op te warmen. Dat betekent dat de wetenschap nu in staat is om deze fase nog beter te onderzoeken om zo weer een stapje dichter bij het absolute begin te komen.