Er zit een gat in het verhaal van hoe ons universum is ontstaan. Ten eerste is het universum snel opgeblazen, als een ballon. Toen ging alles boem.
Maar hoe die twee perioden met elkaar zijn verbonden, is de fysici ontgaan. Nu suggereert een nieuwe studie een manier om de twee tijdperken met elkaar te verbinden.
In de eerste periode groeide het universum van een bijna oneindig klein punt tot bijna een octiljoen (dat is een 1 gevolgd door 27 nullen) keer zo groot in minder dan een biljoenste seconde. Deze inflatieperiode werd gevolgd door een meer geleidelijke, maar gewelddadige periode van expansie die we kennen als de oerknal. Tijdens de oerknal zette een ongelooflijk hete vuurbal van fundamentele deeltjes - zoals protonen, neutronen en elektronen - uit en koelde af om de atomen, sterren en sterrenstelsels te vormen die we vandaag zien.
De oerknaltheorie, die kosmische inflatie beschrijft, blijft de meest algemeen ondersteunde verklaring van hoe ons universum is begonnen, maar wetenschappers zijn nog steeds verbijsterd over hoe deze geheel verschillende expansieperioden met elkaar zijn verbonden. Om dit kosmische raadsel op te lossen, simuleerde een team van onderzoekers van Kenyon College, het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en de Nederlandse Universiteit Leiden de kritische overgang tussen kosmische inflatie en de oerknal - een periode die ze 'opwarmen' noemen.
"De opwarmperiode na de inflatie schept de voorwaarden voor de oerknal en plaatst in zekere zin de 'knal' in de oerknal," zei David Kaiser, een professor in de natuurkunde aan het MIT, in een verklaring. 'Het is deze brugperiode waarin de hel losbarst en materie zich op een allesbehalve eenvoudige manier gedraagt.'
Toen het heelal tijdens de kosmische inflatie in een oogwenk uitdijde, werd alle bestaande materie uitgespreid, waardoor het heelal een koude en lege plaats achterliet, verstoken van de hete soep van deeltjes die nodig waren om de oerknal te ontsteken. Tijdens de opwarmperiode wordt aangenomen dat de energie-voortstuwende inflatie in deeltjes zal vervallen, zei Rachel Nguyen, een doctoraatsstudent natuurkunde aan de Universiteit van Illinois en hoofdauteur van de studie.
"Zodra die deeltjes zijn geproduceerd, stuiteren ze rond en kloppen ze tegen elkaar, waardoor momentum en energie worden overgedragen", vertelde Nguyen aan WordsSideKick.com. 'En dat is wat het universum thermisch maakt en opwarmt om de beginvoorwaarden voor de oerknal te scheppen.'
In hun model simuleerden Nguyen en haar collega's het gedrag van exotische vormen van materie, inflatons genaamd. Wetenschappers denken dat deze hypothetische deeltjes, vergelijkbaar in aard met het Higgs-deeltje, het energieveld hebben gecreëerd dat de kosmische inflatie veroorzaakte. Hun model toonde aan dat onder de juiste omstandigheden de energie van de inflatons efficiënt kon worden herverdeeld om de diversiteit aan deeltjes te creëren die nodig zijn om het universum opnieuw op te warmen. Ze publiceerden hun resultaten op 24 oktober in het tijdschrift Physical Review Letters.
Een smeltkroes voor hoogenergetische fysica
'Als we het vroege heelal bestuderen, doen we eigenlijk een deeltjesexperiment bij zeer hoge temperaturen', zegt Tom Giblin, universitair hoofddocent natuurkunde aan het Kenyon College in Ohio en co-auteur van de studie. "De overgang van de koude inflatieperiode naar de hete periode is er een die een belangrijk bewijs zou moeten bevatten over welke deeltjes er werkelijk bestaan bij deze extreem hoge energieën."
Een fundamentele vraag die natuurkundigen plaagt, is hoe de zwaartekracht zich gedraagt bij de extreme energieën die aanwezig zijn tijdens inflatie. In de algemene relativiteitstheorie van Albert Einstein wordt aangenomen dat alle materie op dezelfde manier door de zwaartekracht wordt beïnvloed, waarbij de zwaartekracht constant is, ongeacht de energie van een deeltje. Vanwege de vreemde wereld van de kwantummechanica denken wetenschappers echter dat materie bij zeer hoge energieën anders op de zwaartekracht reageert.
Het team nam deze aanname op in hun model door aan te passen hoe sterk de deeltjes in wisselwerking stonden met de zwaartekracht. Ze ontdekten dat hoe meer ze de zwaartekracht verhoogden, hoe efficiënter de inflatons energie overdroegen om de dierentuin te produceren van hete materiedeeltjes die tijdens de oerknal werden gevonden.
Nu moeten ze bewijzen vinden om hun model ergens in het universum te ondersteunen.
'Het universum bevat zoveel geheimen die op zeer gecompliceerde manieren zijn gecodeerd', vertelde Giblin aan WordsSideKick.com. "Het is onze taak om de aard van de werkelijkheid te leren kennen door een decoderingsapparaat te bedenken - een manier om informatie uit het universum te halen. We gebruiken simulaties om voorspellingen te doen over hoe het universum eruit zou moeten zien, zodat we het daadwerkelijk kunnen gaan decoderen. Deze opwarmperiode zou ergens in het universum een afdruk moeten achterlaten. We moeten het gewoon vinden. "
Maar het vinden van die afdruk kan lastig zijn. Onze eerste glimp van het heelal is een stralingsbubbel van een paar honderdduizend jaar na de oerknal, de kosmische microgolfachtergrond (CMB). Toch verwijst de CMB alleen naar de toestand van het universum tijdens die eerste kritische seconden van geboorte. Natuurkundigen zoals Giblin hopen dat toekomstige waarnemingen van gravitatiegolven de definitieve aanwijzingen zullen opleveren.
