De eerste minuten van de Big Bang

Als we teruggaan in de tijd, steeds dichter naar de big bang, raken we steeds meer van onze vertrouwde ideeën over het universum kwijt. Geen sterrenstelsels meer, geen sterren meer en nog dichter bij de big bang geen atomen, geen atoomkernen, geen elektronen, geen quarks en zelfs geen elementaire deeltjes meer. Enkel energie, van onvoorstelbaar hoge temperatuur en druk, blijft er over in de eerste seconde na de big bang. Uit deze extreem hete energiebal is uiteindelijk het gehele universum ontstaan. Natuurkundigen denken te kunnen verklaren wat er in de eerste seconden na de big bang is gebeurd, hoewel het moment van de big bang zelf, tot op heden, een groot raadsel blijft.

Inhoud

• De big bang theorie
• Het universum
• De opbouw van het universum
• Paarproductie
• Waar en hoe wordt onderzoek gedaan naar elementaire deeltjes
• De eerste seconde van de big bang
• De eerste minuten van de big bang
• Nog later na de big bang
• Appendix

De big bang theorie

De big bang of oerknal is een benaming van de 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, een zogeheten singulariteit. Tijdens de big bang zouden ruimte en tijd zijn ontstaan. De grondlegger van deze theorie was Prof.dr.Mgr. Georges Henri Joseph Edouard Lemaître een veelzijdige Belgisch 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 door Edwin Hubble bevestigde de stelling van Georges Lemaitre. Ook concludeerde Georges Lemaitre dat een uitdijend heelal een beginpunt zou moeten hebben. In 1931 brengt hij de stelling, tegen de toenmalige wetenschappelijke opvattingen in, naar voren dat het heelal ooit als een superdichte massa moet zijn begonnen. Hij noemde dit " de dag zonder gisteren" want hij concludeerde: dat niet enkel ruimte en materie toen ontstond maar dat hiermee ook de tijd startte. De oerknaltheorie is heden ten dagen het standaard scheppingsverhaal voor de moderne wetenschap.

Het universum

Als we het universum in zijn geheel beschouwen is het globaal gezien een homogene mix van 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 bestaat. Waaruit donkere materie exact is opgebouwd hebben wetenschappers nog niet weten te doorgronden, hoewel er wel al diverse theorieën bestaan. Donkere energie is een mysterieuze, afstotende kracht die zorgt voor het versneld uitdijen van het universum. Wat donkere energie is of waaruit het is opgebouwd is ook nog een raadsel, een raadsel dat diverse wetenschappers ongetwijfeld veel hoofdpijn bezorgt.

De opbouw van het universum

Zoals we in het voorgaande hoofdstuk hebben gezien bestaat het universum uit zichtbare- en donkere materie en donkere energie. Wetenschappers hebben een berekening trachten te maken van de totale hoeveelheid massa/energie die in het universum aanwezig is en hoe de verdeling is opgebouwd. De huidige theorie gaat er vanuit dat het universum voor:

• 74% uit donkere energie bestaat,
• 22% uit donkere materie bestaat,
• 4% uit normale zichtbare materie bestaat.

Deze verdeling is niet altijd zo geweest. Gaan we terug in de tijd, zo een vier miljard jaar, dan schatten wetenschappers dat de verhouding materie en donkere energie in evenwicht was. In de tijd daarvoor was materie verreweg dominant. Maar materie is ook niet al die tijd dominerend geweest. Toen het universum 50.000 jaar oud was namelijk de hoeveelheid materie in evenwicht met de hoeveelheid straling. Dus de eerste 50.000 jaar was straling in het universum verreweg het meest aanwezig. De kosmische achtergrondstraling, die ontstond toen het universum 379.000 jaar oud was, is hier het bewijs van.

De vier fundamentele krachten

Tegenwoordig kennen we vier fundamentele natuurkrachten in het universum die het uiterlijk en gedrag van alles om ons heen bepalen. Dit zijn inclusief de 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 heden ten dage zeer verschillende eigenschappen. Maar wetenschappers gaan er van uit dat deze vier krachten in het allereerste moment van de big bang eigenlijk één kracht (oerkracht) was. In de theoretische natuurkunde tracht men deze krachten te verenigen in een theorie, dit zou de theorie van alles of unificatietheorie moeten worden. Deze theorie zou alle elementaire deeltjes en de fundamentele natuurkrachten in één model samenbrengen.
Bron: Astronomy today 7th edition (1)

Paarproductie

De ontdekking (bij toeval in 1965) van de kosmische achtergrondstraling bewijst dat het vroege universum gedomineerd werd door een veld van straling, een veld van extreem hoge temperatuur en druk. Om enig inzicht te krijgen wat er gebeurt met straling en materie in een veld met een extreem hoge druk en temperatuur is enige kennis van "paarproductie" nodig. Bij paarproductie kunnen twee fotonen (elektromagnetische straling) een elementair deeltje en zijn antideeltje creëren. Door middel van paarproductie kan materie dus rechtstreeks ontstaan uit elektromagnetische straling. Het omgekeerde, dat een deeltje en zijn antideeltje botsen, is ook mogelijk en hierbij ontstaat dan weer elektromagnetische straling (dit volgens de wet van behoud van energie en materie en volgens de beroemde formule van Einstein, E=mc²). Hoe hoger de temperatuur van een stralingsveld des te meer energie een foton kan bezitten des te groter de massa van het deeltje dat kan ontstaan. Ieder deeltje heeft een kritieke temperatuur waarboven paarproductie mogelijk is en daaronder niet, een drempel temperatuur. Voor elektronen is dit ongeveer 6 x10⁹ Kevin. Voor protonen die bijna 2000 maal zo zwaar zijn is de drempeltemperatuur 10¹³ Kevin. Alles om ons heen, alle materie in het gehele universum, is ontstaan uit deze paarproductie toen het prille universum uitzette en afkoelde. Toch is er ergens iets niet helemaal goed gegaan, er moeten op een gegeven moment meer deeltjes dan antideeltjes zijn ontstaan. Wij zijn zelf het bewijs daarvoor omdat wij ons dit kunnen afvragen en een universum opgebouwd uit deeltjes om ons heen zien.

Waar en hoe wordt onderzoek gedaan naar elementaire deeltjes

Onderzoek naar de opbouw en ontstaan van elementaire deeltjes vindt plaats in een deeltjesversneller, zoals in 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 en dan op elkaar botsen. Dit naar het idee van Albert Einstein dat energie kan worden omgezet naar massa en massa naar energie, volgens E=mc². Een deeltjesversneller versnelt twee deeltjes, tot nagenoeg de lichtsnelheid, en geeft ze op die manier heel veel energie. Wanneer de deeltjes op elkaar botsen komt al deze energie in een keer weer vrij en ontstaat er een regen aan nieuwe deeltjes. Op deze manier hopen wetenschappers nieuwe fundamentele deeltjes te ontdekken.

De eerste seconde van de big bang

Alles wat we weten over de eerste seconde van de big bang is voornamelijk theoretisch, die door waarnemingen en onderzoek bevestigd wordt of nog dient te worden bevestigd. 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 om antwoorden te vinden op de vele openstaande vragen omtrent deze theorie.

Het Planck tijdvak: van 0 tot 10^-43 seconde

Van het begin tot de eerste 10^-43 seconde na de big bang (het Planck tijdvak genaamd) bestaan diverse theorieën met verschillende voorspellingen. In dit tijdvak waren de huidige vier fundamentele krachten waarschijnlijk nog gebundeld in één fundamentele kracht. Huidige theorieën komen voornamelijk in de knel door kwantumeffecten die op dit niveau optreden. Wetenschappers hopen dat de unificatietheorie,loop-kwantumzwaartekrachttheorie of de snaartheorie uiteindelijk tot een beter begrip van dit tijdvak zal leiden. Aan het einde van het Planck tijdvak was de temperatuur van het universum gedaald tot 10³² Kelvin. Het gebied waarover we het hier hebben heeft 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 deze voor krachtdeeltjes ook.

Het grote unificatietijdvak: van 10^-43 tot 10^-36 seconde
Tijdens de grote unificatie gaan de drie andere krachten, nog even gebundeld als zijnde één kracht, verder. De temperatuur is gedaald tot 10²⁷ Kelvin. De vroegste elementaire deeltjes (en antideeltjes) worden door paarproductie gemaakt. Dit tijdvak eindigt als de sterke kernkracht zich losmaakt van de elektromagnetische kracht om 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 universum exponentieel snel. Deze inflatie vergrootte het volume van het prille universum met een factor van ten minste 10⁷⁸. Sommige wetenschappers gaan er van uit dat deze inflatie het gevolg was van de ontkoppeling van de zwaartekracht en de "oerkracht". De inflatie stopt als er een heropwarming plaatsvindt en de temperatuur is dan ergens tussen de 10²⁷ en 10²⁸ Kelvin. Het gebied heeft nu een doorsnede van minstens 100 cm, een groei van een factor 10³⁵ sinds het Planck tijdvak. Aan het eind van dit tijdvak was het universum een dichte, hete plasma van quarks, antiquarks en gluons. Het inflatietijdvak is onderdeel van het elektrozwakke tijdvak.

Het elektrozwakke tijdvak: van 10^-36 tot 10^-12 seconde

Dit tijdvak wordt het elektrozwakke tijdvak genoemd en begon toen de sterke kernkracht zich ontkoppelde van zwakke kernkracht bij een temperatuur van 10²⁸ Kelvin. De deeltjes interactie tijdens dit tijdvak waren energiek genoeg om grote aantallen exotische deeltjes te doen ontstaan inclusief het W & Z boson en het Higgs boson (het boson waarvan verondersteld wordt dat het alle andere deeltjes massa geeft). Dit tijdvak eindigt als de zwakke kernkracht zich losmaakt van de elektromagnetische kracht om 10^-12 seconde.

Het quark tijdvak: van 10^-12 tot 10^-6 seconde

Het universum blijft uitdijen en afkoelen. Dit tijdvak wordt het quark tijdvak genoemd. In dit tijdvak zijn de vier fundamentele krachten los van elkaar. Het universum bestaat uit een quark-gluonplasma en andere elementaire deeltjes. De temperatuur was echter nog te hoog voor gluonen om quarks te combineren tot hadronen. Deeltje en antideeltje van allerlei soorten werden continu gemaakt en vernietigd in botsingen. Deze omstandigheden zijn inmiddels in 2012 nagebootst in het CERN en LHC.

Het hardonen tijdvak: van10^-6 tot 1 seconde

De temperatuur daalt in dit tijdvak tot 10¹³ Kelvin. De temperatuur is voldoende afgekoeld voor gluons om quarks aan elkaar te koppelen tot hardonen. Dit heeft tot gevolg dat baryonen zoals protonen en neutronen, zich kunnen vormen. In dit tijdvak ontstaat om een of andere reden ook baryogenese. Baryogenese veroorzaken een asymmetrie tussen baryonen en anti-baryonen waardoor er uiteindelijk meer baryonen in het universum overblijven (protonen en neutronen).

Het leptonen tijdvak: van 1 tot 10 seconde

De temperatuur is ondertussen gedaald tot 10¹⁰ Kelvin en het universum heeft een doorsnede bereikt van 10^19,5 cm. Bij deze temperatuur ontstonden nog steeds leptonen en anti-leptonen die door annihilatie ook weer verdwenen. Toen de temperatuur verder daalde stopte de creatie van leptonen en anti-leptonen. Een groot deel van deze leptonen en anti-leptonen waren door annihilatie verdwenen maar niet allemaal.

De eerste minuten van de big bang

Het oerknal-nucleosynthese tijdvak: van 10 seconde tot 20 minuten

Dit tijdvak wordt het fotonen tijdvak genoemd en duurt tot ongeveer 379.000 jaar na de big bang. Van 10 seconde tot 20 minuten vindt de oerknal-nucleosynthese plaats. De temperatuur is door de uitdijing verder gedaald tot 10⁹ Kelvin. De dichtheid van het universum is ongeveer zo als lucht. Elektronen en zijn antideeltje, het positron, annihileren 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 big bang

Na ongeveer 379.000 jaar worden elektronen en nuclei gecombineerd en nu ontstaan de eerste atomen (voornamelijk waterstof) en ontkoppelt de straling zich van materie en gaat grotendeels ongehinderd de ruimte door. Deze straling staat nu bekend als de kosmische achtergrondstraling. Het zal vanaf hier nog 100 tot 200 miljoen jaar duren voordat de eerste sterren zich, door dichtheidfluctuaties, ontwikkelen.

Appendix

Achtergrondstraling

Toen het universum 379.000 jaar oud was, was het afgekoeld tot 300 Kelvin. Elektronen werden gebonden aan protonen en neutronen en er ontstonden waterstofisotopen. Fotonen worden niet meer gehinderd door de interactie met elektronen waardoor het heelal transparant werd. Dit vroege licht (fotonen) staat heden ten dage bekend als de kosmische achtergrondstraling. Omdat het universum ondertussen 1000 maal groter is geworden is de temperatuur van de achtergrondstraling gedaald tot 3 Kelvin.

Annihilatie

Het proces waarbij een deeltje en zijn antideeltje botsen en elkaar vernietigen met als resultaat energie. De volledige massa van de deeltjes wordt omgezet in energie volgens E=mc². De energie komt vrij in de vorm van elektromagnetische straling. Eigenlijk het tegenover gestelde van paarproductie.

Baryogenese

In de kosmologie is baryogenese de algemene term voor hypothetische fysieke processen die een asymmetrie veroorzaken tussen baryonen en anti-baryonen in het vroege heelal die resulteerden in de materie die tegenwoordig deel uitmaakt van het heelal. Het veroorzaakt een mix van 100.000.001 protonen voor iedere 100.000.000 antiprotonen (en 100.000.000 fotonen).

Elementaire deeltjes

Een elementair deeltje is een deeltje dat niet verder op te splitsen is in nog kleinere deeltjes. Volgens de huidige modellen (het standaard model) zijn dit fermionen en bosonen. In het verleden werden neutronen en protonen tot de elementaire deeltjes gerekend en nog langer geleden dacht men dat het atoom niet deelbaar was. Materiedeeltjes zijn fermionen en deze zijn te onderscheiden in leptonen en quarks. De krachtvoerende deeltjes zijn bosonen en deze zijn verantwoordelijk voor de vier fundamentele krachten in het universum. Deze wetenschappelijke puzzel is echter nog niet geheel opgelost en wie weet wat de toekomst en betere meetapparatuur ons voor verrassingen geeft.

Plancktijd en lengte

Plancktijd is kleinste betekenisvolle lengte van tijd, bedacht door Max Planck. Het is de tijd die licht nodig heeft om een Plancklengte te overbruggen. Een Planklengte is de kleinste lengte die in de kosmos voorkomt. Het is de ongelooflijk kleine lengte van 1,616199(97)x10^-35 ofwel 0,000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.000.016 16199(97) meter

Singulariteit

Een singulariteit is een punt met een oneindig klein volume en een oneindige grote dichtheid. De ruimte/tijd is hier zo sterk gekromd, dat ruimte en tijd feitelijk ophouden te bestaan. In dit punt gelden de gewone natuurkundige wetten niet meer.

Lees verder

• Zijn de fundamenten van de Big Bang theorie stevig?
• James Webb ruimte telescoop opvolger van de Hubble
• Verschillen tussen de James Webb- en de Hubble Telescope
• Verschil tussen roodverschuiving en blauwverschuiving