De geboorte van het heelal

Hoe is het heelal ontstaan?

Is de deeltjesfysica in een crisistijd? Keith Baker, natuurkundige bij de Thomas Jefferson National Accelerator Facility, ziet het als een periode van mogelijkheden om nieuwe fenomenen te beschrijven.
Bekijk de video

Volgens moderne theorieën over kosmische evolutie begon het heelal met een enkelvoudige explosie, gevolgd door een uitbarsting van inflatoire expansie. Om de inflatie te begrijpen zijn doorbraken nodig in ons begrip van de fundamentele natuurkunde, de kwantumzwaartekracht en de ultieme verenigde theorie. Hoewel inflatoire omstandigheden te energierijk zijn om op aarde te kunnen reproduceren, kunnen we hun handtekeningen waarnemen, die in de loop der eeuwen zijn overgebracht door hun afdruk op de overblijfselen van materie die we nog steeds uit die tijd kunnen waarnemen.
Na de inflatie waren de omstandigheden in het vroege heelal nog steeds zo extreem dat ze elementaire deeltjes konden combineren tot nieuwe fasen van materie. Terwijl het heelal uitdijde en afkoelde, vonden er overgangen plaats waarbij materie van de ene fase in de andere overging, zoals stoom condenseert tot water. Sommige van deze faseovergangen zijn misschien wel de meest dramatische gebeurtenissen in de kosmische geschiedenis geweest, die de evolutie van het heelal vorm hebben gegeven en overblijfselen hebben achtergelaten die nu nog kunnen worden waargenomen. Kosmische faseovergangen zouden kunnen worden nagebootst in experimenten met hoge-energie versnellers.

Hulpmiddelen voor een wetenschappelijke revolutie

Volgens de huidige theorieën van de kosmische evolutie begint het heelal met een “initiële singulariteit”, een punt waarop alle bekende natuurkundige wetten ineenstorten. Deze singulariteit produceerde een delicaat uitgebalanceerd heelal, zoals een potlood dat zo precies op zijn punt is gebalanceerd dat het 14 miljard jaar rechtop blijft staan. Hoe heeft het heelal zo’n toestand bereikt? Hoe is het zo oud geworden? Waarom is het niet nog verder uit elkaar geblazen of op zichzelf teruggevallen?

De laatste twee decennia heeft de theorie van de kosmische inflatie een overtuigende verklaring gegeven voor het begin van de oerknal. Volgens deze theorie heeft een vroege fase van versnelde expansie geleid tot het evenwichtige heelal dat we vandaag de dag zien. Kosmische inflatie is de hand die het potlood op zijn punt balanceerde. Als een bijprodukt produceerde het ook de zaden die evolueerden tot sterren, melkwegstelsels, clusters van melkwegstelsels en andere structuren in het heelal.

Kosmische inflatie stelt ons voor uitdagingen die verband houden met de fundamentele vragen in dit verslag. Eén mogelijkheid is dat kosmische inflatie is ontstaan uit een vorm van donkere energie, verwant aan de donkere energie die vandaag de dag wordt waargenomen. Als dat zo is, wat voor soort materie heeft die dan geproduceerd? Speelt deze vorm van materie een rol in de eenwording? Wat is het verband met extra dimensies? Nog radicaler is de mogelijkheid dat ruimte en tijd aan het begin van de oerknal van aard zijn veranderd. Maakt de snaartheorie de initiële singulariteit glad? Welk model heeft de natuur werkelijk gekozen?

Op dit moment leveren metingen van fluctuaties in de kosmische microgolf-achtergrond (CMB), met name van WMAP, het beste bewijs ten gunste van inflatie. Beperkingen op kosmische parameters, zoals de kromming van het heelal, en de aard van de kosmische structuur, zijn in grote lijnen in overeenstemming met de voorspellingen van de inflatietheorie. Uiteindelijk kunnen metingen van de polarisatie van de CMB leiden tot de detectie van de tekenen van gravitatiegolven die tijdens het tijdperk van de inflatie zijn geproduceerd, hetgeen informatie zou kunnen opleveren over de aard van het scalaire veld dat de inflatie heeft veroorzaakt.

Na de oerknal is het heelal uitgedijd en afgekoeld om zijn huidige toestand te bereiken. Onderweg doorliep het heelal een reeks faseovergangen waarin verschillende deeltjes bevroren, zoals water in ijs verandert als het afkoelt. Deze faseovergangen hebben enkele van de belangrijkste tijdperken in de kosmische geschiedenis bepaald. Een faseovergang kan bijvoorbeeld de oorzaak zijn van de kosmische inflatie. Faseovergangen zouden “kosmische defecten” kunnen produceren, zoals snaren en textuur en andere exotische vormen van materie, die kosmische straling met ultrahoge energie, donkere materie en misschien zelfs donkere energie zouden kunnen verklaren.

Experimenten bij de LHC zullen de elektrozwakke faseovergang, waar de meeste bekende deeltjes hun massa’s hebben verkregen, blijven ophelderen. Een beter begrip van deze faseovergang zal wetenschappers in staat stellen dichter bij de oerknal zelf te komen. Het is zelfs waarschijnlijk dat de elektrozwakke faseovergang de uiteindelijke bron is van de asymmetrie tussen materie en antimaterie die we vandaag in het heelal zien. Ontdekkingen van nieuwe deeltjes en nieuwe interacties zullen dit verhaal belichten en bepalen of het juist is. Bovendien moet het verslag van de kosmische evolutie alle ontdekkingen van nieuwe symmetrieën of nieuwe dimensies bevatten.

Momenteel is de meest intensief bestudeerde kosmische faseovergang verbonden met de kwantumchromodynamica (QCD), de theorie van de kernkracht. Tijdens de QCD-faseovergang is de baryonische materie in het huidige heelal gecondenseerd uit een plasma-achtige toestand van quarks en gluonen. De Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) bij BNL creëert momenteel botsingen van zware ionen om het quark-gluon plasma te bestuderen; het ALICE-experiment bij de LHC onderzoekt het quark-gluon plasma bij hogere energieën en temperaturen. De rekenfaciliteiten van het rooster zullen berekeningen mogelijk maken die het begrip van de RHIC-gegevens en de omstandigheden tijdens dit tijdperk in de evolutie van het vroege heelal zullen bevorderen.