Oerknal

Ontwikkelingsstadia van het universum.

Oerknal of Big Bang is de populaire benaming van de kosmologische theorie die op basis van de algemene relativiteitstheorie veronderstelt dat 13,7 miljard jaar geleden het heelal ontstond uit een enorm heet punt (ca. 10²⁸°C), met een oneindig grote dichtheid, ofwel een singulariteit. Tegelijkertijd met de oerknal zouden ruimte en tijd zijn ontstaan. De theorie is onder meer gebaseerd op de waarneming van het voortdurend uitdijende heelal, in het bijzonder de roodverschuiving van de spectraallijn en van licht van verre sterrenstelsels, het dopplereffect. De algemene relativiteitstheorie is op dit punt echter nog niet volledig, aangezien het idee van een oneindig grote dichtheid strijdig is met de fundamentele wetten van de natuurkunde.

De term 'Big Bang' werd voor het eerst door Fred Hoyle in 1950 gebruikt als een sarcastische aanduiding om zijn afkeer van de theorie tot uitdrukking te brengen. Hoyle was zelf voorstander van het concurrerende maar thans verlaten steady statemodel.

Voorgeschiedenis

Het dynamische vs. het statische heelal

Voordat de theorie van de Big Bang werd geformuleerd, ging men uit van een statisch heelal: een heelal dat er altijd al was en altijd zal zijn. Uit de zwaartekrachtwet van Newton volgt echter dat zo'n heelal zou instorten. Newton onderkende dat probleem, maar poogde dat in een briefwisseling met Richard Bentley te redden door te stellen dat, als de materie gelijkmatig in een oneindige ruimte verdeeld was, er geen middelpunt zou zijn waar het naar toe zou vallen.

Einstein ging ook uit van een statisch heelal, maar uit zijn algemene relativiteitstheorie bleek onomstotelijk dat het heelal moest uitdijen of ineenstorten. Hij postuleerde toen de kosmologische constante om die ineenstorting tegen te gaan. De Nederlandse astronoom Willem de Sitter kwam met een ander model van het heelal en voorspelde in 1918 aan de hand daarvan een roodverschuiving die evenredig was met de afstand. Het theoretisch model van De Sitter bevatte geen materie maar dijde wel uit. Het idee van De Sitter is tegenwoordig weer actueel in de inflatietheorie van de oerknal. Onafhankelijk vond Alexander Friedmann oplossingen voor de vergelijkingen van de algemene relativiteit, die een uitdijend heelal beschreven. Voortbordurend op het heelal van De Sitter, publiceerde ook de Belgische priester Georges Lemaître oplossingen voor een dynamisch heelal. Men vermoedde dat er vóór de oerknal helemaal niets was, zelfs geen tijd, zodat men niet eens van 'vóór de oerknal' kan spreken.

De eerste die ontdekte dat het licht van sommige sterrenstelsels een roodverschuiving vertoonde, waaruit bleek dat ze van ons af bewogen (het Dopplereffect), was William Huggins. Edwin Hubble was echter degene die samen met Milton Humason een rechtlijnig verband tussen de roodverschuiving van verre melkwegstelsels en hun afstand berekende. Dit verband staat thans bekend als de wet van Hubble (met de naar hem vernoemde hubbleconstante).

De oerknal/Big Bang

Aan het begin van de 20e eeuw, begon men met het meten van de spectra van sterrenstelsels. Hierbij merkte men:

• slechts enkele dichtbijgelegen stelsels, zoals de Andromedanevel, hebben een blauwverschuiving en bewegen dus naar ons toe.
• alle andere sterrenstelsels hadden een roodverschuiving.
• de roodverschuiving neemt toe naarmate het stelsel verder weg staat. Deze vaststelling werd door Edwin Hubble beschreven in een artikel dat in 1929 werd gepubliceerd. Met de Wet van Hubble kan de uitdijingsnelheid van sterrenstelsels berekend worden.

Dit was aanleiding voor de hypothese dat er een oerknal is geweest. In het verre verleden hebben de sterrenstelsels dus niet alleen dichter bij elkaar gelegen, maar bovendien is de uitdijing begonnen met een oerknal. Aan het begin van de oerknal was het hele heelal geconcentreerd in een enkel punt met oneindige dichtheid. Dit punt noemt men een singulariteit. De eerste theorie van het heelal dat met een geweldige explosie uit een oeratoom moet zijn ontstaan, werd in 1931 geformuleerd door Lemaître. Lemaître kwam ook tot een bijna juiste schatting van het moment waarop het heelal zou zijn ontstaan: ongeveer 15 miljard jaar geleden.

Onderzoek met de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe heeft de leeftijd van het heelal met een onnauwkeurigheid van 1 procent op 13,7 miljard jaar weten te bepalen.

Hete oerknal

In 1948 werd de hete oerknaltheorie door George Gamow samen met Ralph Alpher geformuleerd. De theorie beschrijft hoe het heelal is ontstaan uit een immens heet en extreem klein puntvormig begin (singulariteit).

De theorie beschrijft verder nauwkeurig welke chemisch elementen na 1 seconde, toen het heelal nog een temperatuur had van 10 miljard graden celsius, werden gevormd en in welke verhoudingen. De elementen die tijdens de oerknal werden gevormd zijn waterstof, helium en lithium, nauwkeuriger gezegd de isotopen waterstof, deuterium, tritium, helium-3, helium-4 en lithium-7. De theorie voorspelde dat de gewichtsverhouding helium en waterstof 1:3 zou zijn, heel dicht bij de huidige waargenomen samenstelling.

Gamov had een vriend, de natuurkundige Hans Bethe, gevraagd om zijn achternaam ook aan het artikel toe te voegen (hoewel hij hieraan niet had meegewerkt) omdat de namen Alpher, Bethe en Gamov ongeveer hetzelfde klinken als alfa, bèta en gamma, de eerste drie letters van het Griekse alfabet. Sindsdien staat dit artikel dan ook bekend als het Alpher-Bethe-Gamov-artikel of alfa-bèta-gamma-artikel.

Gamov en zijn medewerkers Alpher en Robert Herman voorspelden verder dat de straling van de oerknal nu nog aanwezig zou moeten zijn en een temperatuur zou moeten hebben van ongeveer 3 K. Deze kosmische achtergrondstraling werd door Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson in 1964 per ongeluk ontdekt. Penzias en Wilson trachtten in 1964 een nieuwe ontvanger werkklaar te maken maar werden daarbij gehinderd door een irritante ruis: de kosmische achtergrondstraling. Penzias en Wilson dachten echter dat het aan de vogelpoep in de ontvanger lag en hadden nog volstrekt niet door dat zij de straling hadden gevonden die enkele kilometers verderop aan de Princeton universiteit door Robert Dicke en zijn team met alle mogelijke middelen werd gezocht. In 1964 publiceerde Nature dan ook twee artikelen: één van Penzias en Wilson die de ontdekking beschrijven en een ander artikel van Dicke die de wetenschappelijke relevantie van de ontdekking uiteenzet. Penzias en Wilson ontvingen in 1978 de Nobelprijs voor de Natuurkunde voor hun werk aan de achtergrondstraling.

Tegenwoordig wordt algemeen aangenomen dat in het allereerste begin het heelal een korte periode van extreme expansie doormaakte. Deze periode wordt ook wel De Sitter inflatie genoemd. De theorie die dit beschrijft heet de inflatietheorie en werd in 1979 ontwikkeld door Alan Guth en Andrei Linde.

Argumenten

Er zijn vier belangrijke argumenten die aantonen waarom het heelal uit een oerknal moet zijn ontstaan:

• Spectroscopische waarnemingen van sterrenstelsels duiden erop dat het heelal uitdijt. Dit kan alleen verklaard worden als sterrenstelsels oorspronkelijk in één punt zijn ontstaan. De belangrijkste aanwijzing hiervoor is dat hoe verder sterrenstelsels van ons af staan, hoe sneller ze zich van ons verwijderen. De roodverschuiving is de belangrijkste indicatie hiervan.
• De kosmische achtergrondstraling die in 1965 door Arno Penzias en Robert Wilson is waargenomen, lijkt van alle kanten te komen. De oerknaltheorie biedt een consistente verklaring voor deze straling.
• De oerknaltheorie beschrijft nauwkeurig de verhouding van lichte elementen als waterstof en helium die tijdens de oerknal zijn ontstaan.
• Uit de algemene relativiteitstheorie van Einstein kan een oerknal worden afgeleid, mits de materie in het heelal homogeen verspreid is.

Over 100 miljard jaar zullen de huidige pijlers waarop de theorie van de oerknal rust bijna volledig zijn uitgewist. De kosmische achtergrondstraling is dan zodanig afgezwakt dat zij in het geheel niet meer waarneembaar is. Ook de uitdijing van het heelal zal dan niet langer waarneembaar zijn, doordat alle sterrenstelsels achter de waarnemingshorizon zijn verdwenen en de intergalactische ruimte dus nagenoeg leeg is. De materie in het heelal lijkt hierdoor ook niet meer homogeen verspreid, waardoor een oerknal niet meer kan worden gededuceerd uit een herontdekte relativiteitstheorie. Tevens is de verhouding tussen de verschillende elementen zodanig veranderd dat zij niet veel meer wegheeft van die tijdens de oerknal en in de huidige situatie.

Fundamentele problemen

Hoewel de theorie van de oerknal sinds de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling door veel kosmologen aanvaard werd als de theorie die de beste verklaringen geeft over het ontstaan en de evolutie van het heelal, waren er toch een paar belangrijke vraagstukken waar de theorie geen antwoord op kon geven. Die problemen waren:

1. het horizonprobleem
2. het vlakheidsprobleem
3. het monopoolprobleem

De inflatietheorie van Alan Guth en Andrei Linde kon hier in de jaren tachtig een antwoord op geven. Dit is dan ook een aanvulling op de theorie van de oerknal, en niet een volkomen onafhankelijk alternatief. Verder is het idee van een oneindig grote dichtheid in strijd met de kwantummechanica.

Toekomst

De oerknal is een theorie over het ontstaan van het heelal. Voor de toekomst van het heelal zijn er een aantal mogelijkheden:

1. Het heelal zal eeuwig uitdijen en deze uitdijing zal zich in een versneld tempo voortzetten (Big Rip).
2. De uitdijing van het heelal zal afgeremd worden door de zwaartekracht, en daardoor na verloop van tijd instorten, exact zoals bij de oerknal maar dan achteruit (Big Crunch).
3. Het heelal zal eeuwig uitdijen, en de warmte-energie in het heelal zal steeds verder verspreid raken, waardoor het steeds en steeds kouder wordt. (Big Chill)
4. Het heelal zal uitdijen, maar er zijn meerdere ruimten die dat ook doen en zo elkaar op den duur kruisen. Dit hangt nauw samen met het idee van een multiversum. Er ontstaan nieuwe centra, waar materie zich opnieuw samenvoegt, en waar zodoende ook nieuwe oerknallen kunnen ontstaan. Zo ontstaat er een soort "superheelal".

Recente waarnemingen en afstandsmetingen pleiten voor de versnelde uitdijing van het heelal, waartoe een nog slecht begrepen verschijnsel moet worden ingevoerd dat bekend staat als donkere energie.

Zie ook

• Theorie van alles

Externe links

• Sterrenkunde encyclopedie: oerknal
• Oerknal - informatief

· ·

Astronomie

Mediabestanden

Zie de categorie Big bang van Wikimedia Commons voor mediabestanden over dit onderwerp.