Zijn de fundamenten van de Big Bang theorie stevig?

De big bang of oerknaltheorie is heden ten dage het standaard scheppingsverhaal voor de moderne wetenschap. De standaardtheorie probeert te verklaren wat er NA de big bang tot heden is gebeurd en in de toekomst staat te gebeuren. De standaardtheorie gaat ervan uit dat het universum is ontstaan uit een oneindig klein, oneindig heet, oneindig dicht iets, een singulariteit. Wat de omstandigheden in een singulariteit zijn gaat tot nu toe onze begrippen van de fysica te boven. Ondanks dat het de “big bang” theorie wordt genoemd gaat het niet over de "bang" zelf. De big bang theorie probeert een beschrijving te geven vanaf de eerste momenten na de "bang" en de miljarden jaren daarna. Maar wat zijn de fundamenten en wat zijn de “bewijzen” van deze, bijna tachtig jaar oude theorie waar zoveel wetenschappers van uitgaan?

Inhoud

• De big bang theorie
• De fundamenten van de big bang theorie
• Kosmische achtergrondstraling
• Uitdijing van het universum
• Overvloed aan lichte elementen
• Verdeling van materie in het universum
• Zijn deze fundamenten stabiele pijlers?
• Inflatietheorie lost enkele problemen op
• Tijdlijn van de big bang theorie
• Kan de big bang theorie in de prullenbak?
• Appendix

De big bang theorie

De oerknal- of big bang theorie is een kosmologische theorie die op basis van de algemene relativiteitstheorie er van uitgaat dat 13,798 miljard jaar geleden het heelal ontstond uit een enorm heet punt (ca. 10²⁸ K), met een oneindig grote dichtheid, een singulariteit genaamd. De algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein kan een singulariteit echter niet beschrijven⁽⁶⁾. Volgens de big bang theorie zouden tijdens deze oerknal ruimte en tijd zijn ontstaan. De grondlegger van de oerknaltheorie was Prof.dr.Mgr. Georges Henri Joseph Edouard Lemaître een veelzijdige Belgisch katholieke priester, astronoom, kosmoloog, wiskundige en natuurkundige. Na onderzoek naar roodverschuivingen in het spectrum van verre sterrenstelsels kwam hij in 1927 tot de conclusie dat deze zich van ons af bewogen. Edwin Hubble en Milton Humason berekenden een rechtlijnig verband tussen de roodverschuiving van verre sterrenstelsels en hun snelheid en afstand (de wet van Hubble). De heersende opvatting in die tijd was er één van een statisch heelal. Een heelal dat er altijd was en altijd zou zijn. Georges Lemaitre bracht in 1931 de stelling naar buiten dat een uitdijend heelal een beginpunt zou moeten hebben en dat het heelal ooit als een superdichte massa moet zijn begonnen.

Men moet de big bang niet beschouwen als zijnde een enorme explosie die als het ware alle materie het heelal in slingerde. Wetenschappers beschrijven het meer als een ballon die steeds groter wordt. Een oneindig klein ballonnetje die uitdijde en nog steeds uitdijt tot de grootte waarin het gehele universum zich bevindt. Ook wordt er, voor de uitdijing, vaak een vergelijking gemaakt met een rijzend krentenbrood waarin de krenten de sterrenstelsels voorstellen. Tijdens het uitdijen wordt de onderlinge afstand tussen de sterrenstelsels (krenten) groter maar de krenten zelf niet. De reden hiervoor is dat het de ruimte zelf is die uitdijt en steeds meer ruimte inneemt.

De fundamenten van de big bang theorie

Een theorie is, in de wetenschappelijke wereld, een toetsbaar model ter verklaring van waarnemingen van de werkelijkheid (Wikipedia: theorie). De belangrijkste argumenten, afkomstig van waarnemingen, waaruit de big bang theorie is opgebouwd zijn:

• Kosmische achtergrondstraling,
• Uitdijing van het universum,
• Overvloed aan lichte elementen,
• Verdeling van materie in het universum.

Hieronder volgt een korte beschrijving van de vier fundamenten.

Kosmische achtergrondstraling

Toen de big bang theorie steeds meer vorm aannam werden er diverse berekeningen gemaakt en aan de hand daarvan enkele voorspellingen. Een van deze voorspellingen was: als het universum in het begin heel heet zou zijn geweest we de daarvan afkomstige straling heden ten dage zouden kunnen meten. De theorie voorspelt dat toen het universum 379.000 jaar oud was en de temperatuur was gedaald tot 3000 Kelvin er atomen gevormd konden worden (elektronen werden gebonden aan protonen en neutronen). Fotonen werden nu niet meer gehinderd door interacties met elektronen en het universum werd doorzichtig. Dit eerste licht kunnen we tegenwoordig waarnemen als de kosmische achtergrondstraling⁽⁵⁾. Aangezien het universum sinds die tijd ongeveer 1000 maal zo groot is geworden, is de temperatuur van deze straling flink gedaald. Deze voorspelling werd gedaan in 1948 door Ralph Alpher, Robert Herman en George Gamow. Zij berekenden dat de te meten temperatuur tussen de 50K en 5K zou moeten liggen. De bevestiging voor het bestaan van de kosmische achtergrondstraling werd min of meer bij toeval ontdekt in 1965 door Arno Penzias en Robert Wilson die werkzaam waren bij Bell Telephone Laboratories. Voor Bell Laboratories werkten zij met een antenne voor het opvangen van microgolfstraling. Zij ontdekten een "ruis" (straling) op een golflengte van 1,9 mm. Aanvankelijk dachten zij dat deze ruis ontstond door vervuiling van de antenne als gevolg van duivenpoep. Echter na een grondige reiniging van de antenne bleven zij de ruis ontvangen, niet wetend dat deze straling was voorspeld. Toen zij het probleem aan enkele collega's voorlegden wisten die te vertellen dat zij de kosmische achtergrondstraling hadden ontdekt.

Hierna is veel gericht onderzoek gedaan naar de kosmische achtergrondstraling en we weten nu dat de temperatuur 2,728 ± 0,004 Kelvin is. De theorie voorspelt namelijk dat de straling gelijk moest zijn aan die van een zwart lichaam, een voorspelling die uit is gekomen. In 1989 kon dit worden bevestigd met de Cosmic Background Explorer en 12 jaar later met de WMAP satelliet ( Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) tot op 0,001% nauwkeurig. De gemeten temperatuurvariaties in de kosmos kwamen exact overeen met de inflatietheorie. Deze inflatietheorie werd in 1981 door Alan Guth opgesteld en werd later onder meer verder ontwikkeld door Andrei Linde. Dankzij de WMAP verkregen data van de achtergrondstraling heeft men een precieze datering van de oerknal kunnen berekenen op 13,7 miljard jaar geleden en het ontstaan van de eerste sterren zo'n 200 miljoen jaar na de oerknal.

Uitdijing van het universum

De big bang theorie is opgebouwd uit waarnemingen van een uitdijend universum. Deze uitdijing werd ontdekt door de roodverschuiving van spectraallijnen in het spectrum van verre sterrenstelsels. Volgens de wet van Hubble is de roodverschuiving van een melkwegstelsel evenredig aan de snelheid waarmee het zich van ons af beweegt en deze neemt toe met zijn afstand tot de aarde. De enige conclusie die hieruit getrokken kon worden was dat alle onderzochte sterrenstelsels zich van ons af bewogen en hoe verder zij van de aarde waren verwijderd hoe sneller zij van ons af bewogen. Verder onderzoek met betere apparatuur laat zien dat het universum niet alleen uitdijt maar ook nog eens versneld uitdijt. Waar wordt deze uitdijing door veroorzaakt? Welke kracht zit hier achter?

Overvloed aan lichte elementen

De big bang theorie voorspelde dat het universum gevuld zou moeten zijn met een overvloed aan lichte elementen en in welke verhouding. Deze lichte elementen zouden zijn ontstaan toen het universum 1 seconde oud was en een temperatuur had van 10 miljard graden. Dit waren de isotopen waterstof, deuterium, tritium, helium-3, helium-4 en lithium-7. De theorie voorspelde een verhouding van helium en waterstof van 1 op 3. Huidige metingen bevestigen deze samenstelling. ⁽¹⁾. Dit is een van de voorspellingen die uit de big bang theorie voortkomen die heden ten dage nog staat als een huis.

Verdeling van materie in het universum

Als de materie in het heelal homogeen verspreid zou zijn, dan zou uit de algemene relativiteitstheorie van Einstein een oerknal kunnen worden afgeleid⁽¹⁾. De algemene relativiteitstheorie bestaat uit een aantal differentiaalvergelijkingen. De uitkomsten van de Einstein-veldvergelijkingen staan bekend als de FLRM metriek (Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker-metriek). De uitkomst beschrijft een enkelvoudig samenhangende, homogeen, isotropisch uitdijend of inkrimpend heelal⁽²⁾. Dus volgens de algemene relativiteitstheorie zou alle materie in het universum op grote schaal homogeen verdeeld moeten zijn. Maar de uitkomst van de FLRM metriek bracht ook nog iets anders naar voren namelijk dat het universum zou uitdijen of inkrimpen. Maar is in het universum alle materie homogeen verdeeld?

Zijn deze fundamenten stabiele pijlers?

Zijn de fundamenten waarop de big bang theorie is gebouwd een beetje stevig? Ondanks dat de wetenschap deze theorie al bijna tachtig jaar gebruikt om hiermee een verklaring te geven voor het universum om ons heen, zijn er veel losse eindjes. Resultaten van nieuwe onderzoeken gaan soms lijnrecht tegen de voorspellingen van de theorie in. Een van deze losse eindjes is de hoeveelheid massa in het universum.

Zwaartekracht

De zwaartekracht in het universum wordt bepaald door de totale hoeveelheid massa van sterren, planeten en gaswolken. Het universum wordt bij elkaar gehouden door deze zwaartekracht. In de jaren dertig van de vorige eeuw deed astronoom Fritz Zwicky metingen aan de Comacluster (een verzameling sterrenstelsels). Na onderzoek naar de hoeveelheid licht dat afkomstig was van de Comacluster kon hij een berekening maken van het aantal sterren in de cluster en zo de totale massa berekenen. Uit de bewegingen van de buitenste stelsels van de cluster kon hij ook de totale massa van de cluster berekenen. Echter deze twee uitkomsten kwamen niet met elkaar overeen. Hij concludeerde dat er ergens in de cluster "onzichtbare" materie moest zitten om de aanwezige zwaartekracht te verklaren. Tegenwoordig wordt deze onzichtbare materie, donkere materie genoemd. Volgens berekeningen zou het universum voor 22% uit deze donkere materie bestaan. Wat het precies is of waar het uit bestaat, wetenschappers hebben geen idee. Er zijn diverse theorieën geopperd maar geen enkele geeft een bevredigende verklaring. Volgens sommigen zou de huidige zwaartekrachttheorie niet volledig zijn (een van de fundamenten van de wetenschap).

Roodverschuiving
Een ander lang genegeerd probleem is die van de roodverschuivingquantisatie. Een van de fundamenten van de big bang theorie is het expanderende universum. Deze conclusie werd getrokken na onderzoek naar de roodverschuiving van spectraallijnen in het spectrum van sterrenstelsels. Sinds het eind van de jaren 70 van de vorige eeuw kwam na onderzoek naar buiten dat er iets aan de hand was met deze roodverschuiving. In 1976 publiceerde William Tifft van het Steward Observatorium in Tucson, Arizona zijn onderzoeksresultaten van analyses van roodverschuivingen. Deze roodverschuiving bleek niet zoals altijd wordt aangenomen gelijkmatig te gaan maar in stapjes (gequantiseerd). Dit houdt in dat de roodverschuiving niet het gevolg is van een geleidelijk langer wordende golflengte maar dat de golflengte van het een op het andere moment een sprongetje maakt en zo langer wordt. De stapjes hebben een grote van 2,67 km/sec (9612 km/uur) met een precisie van 0,1 km/sec. Deze roodverschuivingquantisatie is tot op heden meerdere malen bevestigd maar is nog niet verklaard. De vraag rijst: is de huidige interpretatie van de roodverschuiving (en blauwverschuiving) wel juist? Heeft roodverschuivingquantisatie te maken met atomaire energieniveaus of vacuümenergie en atomaire energie? Nader onderzoek zal hier uitsluitsel over moeten geven.

Verdeling van materie in het universum

De big bang theorie kan niet de vele patronen verklaren die te zien zijn in de verdeling van materie in het universum heden ten dage. Volgens de FLRM metriek zou de verdeling van materie in het universum homogeen moeten zijn. Huidige inzichten en computersimulaties tonen aan dat de materie over het algemeen samen geklonterd is in clusters met daartussen grote leegtes. De grootste structuur tot nu toe aangetroffen in het universum is de grote muur⁽⁴⁾.

Versnelde uitdijing van het universum

Sinds de jaren 20 van de vorige eeuw weten wetenschappers dat het universum na de big bang uitdijt. Na de inflatieperiode, die duurde van 10^-36 tot 10^-32 seconde na de big bang, nam de uitdijingsnelheid van het universum af. Tot 1998 dacht iedereen dat de uitdijing na de Oerknal steeds langzamer zou gaan omdat alle sterrenstelsels elkaar aantrekken door hun onderlinge zwaartekracht. Echter toen het universum zeven miljard jaar oud was tot aan heden is de uitdijingsnelheid aan het toenemen⁽¹¹⁾. Deze ontdekking werd gedaan door Saul Perlmutter, Brian Schmidt en Adam Riess na onderzoek naar type Ia supernova's in 1998. Deze ontdekking leidde tot de introductie van "donkere energie". Deze donkere energie zou een soort van omgekeerde zwaartekracht zijn, in plaats van aantrekkingskracht uit te oefenen stoot het juist af. Volgens berekeningen zou het universum voor 74% uit deze donkere energie bestaan. Wat deze donkere energie precies is of waar het uit bestaat weet tot nu toe niemand. Dat het zou moeten bestaan, daar zijn wetenschappers zeer zeker van, zelfs voor 99,996% zeker⁽¹²⁾. Dit brengt ons in een universum die bestaat uit:

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

Hieruit kan dus geconcludeerd worden dat het universum voor 96% uit IETS bestaat waar we totaal niets van afweten, enkel uit sommige eigenschappen kunnen we afleiden dat ze zouden moeten bestaan. Van zowel donkere energie als donkere materie weten we niet wat het is of waar het uit bestaat.

Inflatietheorie lost enkele problemen op

De big bang theorie loopt tegen een paar problemen aan die door de introductie van de inflatietheorie wel verklaard kunnen worden. Dit zijn onder andere:

• het horizonprobleem,
• het vlakheidsprobleem,
• het monopoolprobleem.

Het horizonprobleem

Het horizonprobleem is een probleem in het standaardmodel van de big bang theorie. Het horizonprobleem gaat ervan uit dat twee veraf gelegen gebieden in het universum geen contact met elkaar kunnen hebben vanwege de grote afstand en de eindige snelheid van het licht. Niets kan namelijk sneller dan de lichtsnelheid. Bijvoorbeeld men kijkt door een telescoop naar een sterrenstelsel in de westelijke hemel op een afstand van tien miljard lichtjaar. Ook kijkt men naar een stelsel in de oostelijke hemel ook met een afstand van tien miljard lichtjaar. Hun onderlinge afstand bedraagt dan twintig miljard lichtjaar. Licht van het ene stelsel kan het andere stelsel nog niet hebben bereikt omdat het universum nog maar 13,8 miljard jaar oud is. De stelsels zouden onmogelijk "informatie" kunnen uitwisselen. Informatie in deze context houd fysieke interactie in. Hitte stroomt bijvoorbeeld altijd van warm naar koud en dit wordt in de natuurkunde gezien als fysieke interactie. Men zou verwachten dat de fysieke omstandigheden in beide sterrenstelsels zich onafhankelijk van elkaar en dus anders zouden hebben ontwikkeld. Ruimer gezien zou men er van uitgaan dat er in het universum meer fysieke variatie zou zijn. Het tegendeel is echter het geval. Als men kijkt naar de kosmische achtergrondstraling dan is de temperatuur van het universum bijna overal hetzelfde, namelijk 2.728 Kelvin. Pas met hedendaagse meetinstrumenten zijn er afwijkingen te detecteren in de grootte van 0,004 Kelvin. Als het universum in zijn ontstaansperiode zou zijn begonnen met kleine temperatuursverschillen in verschillende gebieden dan zou het onmogelijk zijn dat er zich nu een gelijkmatige temperatuur zou zijn.
De inflatietheorie verklaart dit door te stellen dat voor de inflatieperiode het prille universum een homogeen geheel was en alle fysieke omstandigheden overal hetzelfde. Tijdens de inflatieperiode zou het universum een groei doormaken van een factor 10⁷⁸. Gedurende deze inflatieperiode zouden de fysieke eigenschappen zich zo goed als homogeen verdeeld hebben over het gehele universum.

Het vlakheidsprobleem

De resultaten van microgolfmetingen van de WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) wijzen erop dat we in een vlak heelal leven. Een vlak heelal is een heelal dat beschreven kan worden met euclidische meetkunde. Zoals een driedimensionale ruimte gekromd kan zijn (een bal bijvoorbeeld) geldt dit ook voor de vierdimensionale ruimtetijd. Als we er van uitgaan dat het universum homogeen verdeeld is dan zijn er drie krommingen van de ruimtetijd mogelijk, namelijk;

• een bolvorm Ω₀>1,
• een zadelvorm Ω₀<1,
• een plat vlak Ω₀=1

Zou men op deze oppervlakken een driehoek tekenen dan is de som van de hoeken bij een bolvorm groter dan 180 graden, op een zadelvorm kleiner dan 180 graden en op een plat vlak precies 180 graden. Gaat men met deze vierdimensionale ruimtetijd vormen rekenen dan blijkt dat bij een vierdimensionale bolvorm het universum zoveel materie bevat dat de uitdijing zeer snel zal stoppen en het universum weer zal inkrimpen, een zogenaamde “big chrunch”. Bij berekeningen aan een zadelvorm zal er snel een uitdijing plaatsvinden die steeds sneller en sneller zal gaan. In zo'n geval zal er nooit materie kunnen ontstaan omdat deze uit elkaar gerukt zal worden. Een vlak universum is een universum waarbij de verhouding massa-uitdijingssnelheid precies zo groot dat de uitdijing nooit helemaal stopt. Aangezien we in een universum leven moet deze dus wel vlak zijn. Gedurende het tijdperk van inflatie werd het heelal gladgestreken, wat tot een waarde van Ω₀=1 zou hebben geleid.

Het monopoolprobleem

Als de natuurkundige wetten worden toegepast op de big bang theorie dan zouden er volgens berekeningen verschrikkelijk veel magnetische monopolen in het universum aanwezig moeten zijn. Volgens de big bang theorie zouden magnetische monopolen ontstaan doordat het elektromagnetische veld zich op verschillende plaatsen op verschillende wijzen vormgeeft. Bij de grenzen van deze gebieden ontstaan dan magnetische monopolen⁽¹⁰⁾. Tot op heden is er echter nog nooit één gedetecteerd. Net zoals het horizonprobleem en het vlakheidsprobleem wordt ook het monopolenprobleem verklaart door de toevoeging van de inflatietheorie aan de big bang theorie. De inflatietheorie zegt dat er in principe wel monopolen kunnen voorkomen, maar dat ze zo dun bezaaid zijn, dat ze vrijwel onvindbaar zullen zijn

Tijdlijn van de big bang theorie

Door betere waarnemingsmogelijkheden zoals de Hubble space telescope kunnen we tegenwoordig veel dieper het universum inkijken. Hierdoor kijken we verder in het verleden van het universum. Ook krijgen we daardoor beelden te zien die niet overeenstemmen met de big bang theorie. Volgens de big bang theorie bestaat er een hiërarchie waar vanuit het universum is opgebouwd. Na 379.000 jaar worden de eerste atomen gevormd, na 100 tot 200 miljoen jaar worden pas de eerste sterren geboren. Dit waren voornamelijk gigantische grote sterren met een korte levensduur en het zou nog miljoenen jaren duren voordat deze sterren zich zouden samenvoegen en uitgroeien tot sterrenstelsels en daarna tot clusters. Echter met de XMM-Newton (X-ray Multi-Mirror Mission - Newton voor röntgenastronomie is een cluster ontdekt die al bestonden toen het universum 25% van zijn huidige leeftijd had. Deze cluster, genaamd CL J1449+0856, is ontdekt toen het universum slechts drie miljard jaar oud was. In tegenstelling tot wat men verwachtte te zien ("baby" sterrenstelsels in ontwikkeling), was deze cluster zich niet aan het formeren maar was een volwassen cluster ^{(7 & 8)}.

Kan de big bang theorie in de prullenbak?

Ondanks alle losse eindjes is de big bang theorie vandaag de dag nog steeds de meest populaire theorie. Een theorie moet steeds aangepast worden aan de uitkomsten van nieuwe onderzoeken. In het geval van de zwaartekracht en de versnelde uitdijing van het universum probeert men de waarnemingen aan te passen in plaats van de theorie. Door het introduceren van donkere materie en donkere energie blijft de theorie vooralsnog overeind. Alhoewel veel wetenschappers zich tegenwoordig hardop afvragen of de big bang theorie in zijn huidige vorm nog wel toereikend is. Toch blijft de big bang theorie tot op heden de beste verklaring beschrijven van het ontstaan van het universum. Ook resultaten van nieuwe onderzoeken roepen niet alleen vragen op maar kunnen ook een deel van de big bang theorie bevestigen. Zoals de bekendmaking van eventueel bewijs voor de inflatietheorie als gevolg van de ontdekking van gravitatiegolven in de achtergrondstraling. Deze gravitatiegolven zouden nu zijn gedetecteerd⁽¹³⁾. Als deze onderzoeksresultaten door peer review worden bevestigd dan zal dit een nieuwe pijler voor de big bang theorie worden.

Appendix

Lees verder

• De eerste minuten van de Big Bang
• Verschil tussen roodverschuiving en blauwverschuiving
• Neutronensterren, bizarre hemelobjecten
• James Webb ruimte telescoop opvolger van de Hubble
• Bewoonbare zone om een ster