Oerknal

Oerknal of Big Bang is de populaire benaming van de kosmologische theorie die beschrijft hoe het heelal zo'n 13,7 miljard jaar geleden met een enorme explosie is ontstaan. De term explosie is eigenlijk niet juist. Bij een explosie worden brokstukken materie de ruimte in geslingerd, terwijl bij de oerknal ruimte en tijd ontstonden. 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.

Onderzoek met de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe heeft de leeftijd van het heelal met een nauwkeurigheid van 1 procent op 13,7 miljard jaar weten te bepalen. Voordat de theorie van de Big Bang werd geformuleerd ging men uit van een statisch heelal: een heelal dat er altijd 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 weerleggen 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.

[bewerk] Voorgeschiedenis

Einstein ging uit van een statisch heelal en postuleerde 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 Sitter is tegenwoordig weer actueel in de inflatietheorie van de oerknal.

Voortbordurend op het heelal van De Sitter, publiceerde de Belgische priester Georges Lemaître in 1926 de theorie dat het heelal met een geweldige explosie uit een oeratoom moet zijn ontstaan. Lemaître kwam ook tot een schatting van het moment waarop het heelal zou zijn ontstaan: ongeveer 15 miljard jaar geleden.

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
alle andere sterrenstelsels hadden een roodverschuiving
de roodverschuiving neemt toe naarmate het stelsel verder weg stond.

Uit de roodverschuiving concludeerde men dat het heelal uitdijt. Sterrenstelsels die verder van ons weg staan hebben een grotere snelheid ten opzichte van ons. Dit zijn echter relatieve snelheden, want vanaf zo'n ver sterrenstelsel gezien, verwijderen wij ons met grote snelheid. Dit gegeven betekent dat de sterrenstelsels vroeger dichter bij elkaar hebben gestaan en in een heel ver verleden zelfs in een punt.

De conclusie dat het heelal uitdijt 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 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.

[bewerk] Hete oerknal

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

De theorie beschrijft verder nauwkeurig welke elementen na 1 seconde, toen het heelal nog een temperatuur had van 10 miljard Kelvin, 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.

Alpher en Herman voorspelden verder dat de straling van de oerknal nu nog aanwezig zou moeten zijn en een temperatuur zou moeten hebben van ± 3K. Deze kosmische achtergrondstraling werd door Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson in 1964 ontdekt. Voor hun werk aan de achtergrondstraling ontvingen zij in 1978 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.

[bewerk] Argumenten

Er zijn drie belangrijke argumenten waarom het heelal uit een oerknal moet zijn ontstaan:

Waarnemingen aan het heelal duiden erop dat het heelal uitdijt. Dit kan alleen verklaard worden als sterrenstelsels oorspronkelijk in een 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 1992 door de COBE (Cosmic Background Explorer) satelliet -en in 2003 nog nauwkeuriger door de WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) - is waargenomen lijkt van alle kanten te komen. Alleen de Big Bang theorie kan deze straling verklaren.
De Big Bang theorie voorspelt nauwkeurig de verhouding van lichte elementen als waterstof en helium die tijdens de oerknal zijn ontstaan.

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.

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

Het heelal zal eeuwig uitdijen.
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.
Het heelal zal uitdijen maar er zijn meerdere ruimten die dat ook doen en zo elkaar op den duur kruisen. Er ontstaan nieuwe centra waar massa zich opnieuw samenvoegt en nieuwe oerknallen ontstaan.

[bewerk] Van Oerknal tot heden

Plancktijd 10^-43 seconden na de Oerknal	Er kan niet gesproken worden over tijd of over ruimte of over de temperatuur. De fysica op dit niveau is onbekend.
	Vlak hierna was een periode van inflatie. De ruimte expandeerde met een factor 10⁵⁰ in een zeer korte periode. Theoretisch is het beschreven door Alan Guth. Inflatie geeft antwoord op een aantal fundamentele problemen van de klassieke hete oerknaltheorie.
tussen 10^-12 en 10^-10 seconde.	In deze periode is het eigenlijke begin. Het universum bevindt zich in een kleine hete dichte kwantumtoestand. Uit de vacuümenergie ontstaan fotonen, gluonen en andere elementaire deeltjes. Het universum bestaat nagenoeg geheel uit stralingsenergie.
10^-11 seconden	Het heelal is koud genoeg voor het ontstaan van deeltjes (quarks) en antideeltjes (anti-quarks), die elkaar annihileren. De verhouding deeltjes:antideeltjes was volgens Steven Weinberg 300.000:299.999. Dit verklaart waarom er nu geen antimaterie meer is. Baryongetal van het heelal: 10⁷⁸.
10^-10 seconden	De temperatuurdaling maakt het nu mogelijk dat van bosonen (W^-, W⁺ en Z) ontstaan. Die zijn verantwoordelijk voor het overbrengen van de zwakke wisselwerking. Bosonen zijn zware deeltjes, die de zwakke wisselwerking maar over een zeer kleine afstand kunnen overbrengen. Het ontstaan van de zwakke wisselwerking noemt men de spontane symmetriebreking.
10^-4 seconden.	Quarks vormen (met hulp van gluonen grotere deeltjes: mesonen (quark+antiquark). en baryonen (protonen en neutronen) ontstaan. Volgens de Quantum Chromo Dynamica (QCD) kunnen quarks en gluonen los van elkaar bestaan, mits de temperatuur hoog genoeg is.
1 seconde	De verhouding protonen en neutronen wordt stabiel: 7 staat tot 1. Daarvoor konden protonen en neutronen in elkaar overgaan. Deze verhouding bepaalt ook de verhouding waterstof en helium.
100 seconden.	Nucleosynthese. Waterstof en helium worden gevormd.
10.000 jaar.	Materie begint te domineren over de straling. Fotonen gaan zwart lichaam straling afgeven. Die wordt tegenwoordig waargenomen als kosmische achtergrondstraling.
379.000 jaar.	Nuclei en elektronen beginnen waterstof, helium en lithium te vormen. Het heelal wordt doorzichtig.
200 miljoen jaar.	De eerste sterren ontstaan uit waterstofgas.
200 miljoen-13,7 miljard jaar.	Zwaardere elementen worden in de sterren gevormd. Supernova explosies maken het mogelijk dat ons zonnestelsel wordt gevormd, waar zwaardere elementen aanwezig zijn.
	Baryongetal nog steeds 10⁷⁸.

[bewerk] Fundamentele problemen

Hoewel de theorie van de oerknal door vrijwel alle 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 zijn:

het Horizonprobleem
het probleem van een vlak heelal
het monopoolprobleem

De inflatietheorie van Alan Guth en Andrei Linde kon hier in de tachtiger jaren een antwoord opgeven.

[bewerk] Oerknal en religie

Creationisten die op bijbelse gronden uitgaan van een kosmos van zes tot tienduizend jaar oud hebben bezwaar aangetekend tegen de oerknaltheorie. Eén creationist heeft een alternatieve interpretatie van de roodverschuiving geformuleerd die uitgaat van een bijbelse leeftijd van het heelal: de Kwantum_roodverschuiving. Deze interpretatie wordt echter door de meesten (inclusief creationisten) als pseudo-wetenschap beschouwd. Sommige versies van de oerknaltheorie zijn wel te combineren met de presentatie van het universum in het boeddhisme. In de Koran (21:30) staat: 'Hebben zij die ongelovig zijn dan niet gezien dat de hemelen en de aarde een samenhangende massa waren? Wij hebben ze toen van elkaar gescheiden en Wij hebben uit water al het levende gemaakt. Zullen zij dan niet geloven?'