Oerknal
Van Wikipedia
Oerknal of Big Bang is de populaire benaming van de kosmologische theorie die beschrijft, hoe het heelal ontstond uit een enorme dichte en hete toestand 13,7 miljard jaar geleden. Tegelijkertijd met de oerknal zouden ruimte en tijd zijn ontstaan. De theorie is onder meer gebaseerd op de waarneming van het voortdurend uitdijende heelal, in het bijzonder de roodverschuiving van de spectraallijnen van licht van verre sterrenstelsels.
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. Hoyle was zelf voorstander van het concurrerende maar nu verlaten steady statemodel.
Inhoud |
[bewerk] Voorgeschiedenis
[bewerk] Het dynamische heelal
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 redden 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.
Einstein ging uit van een statisch heelal en postuleerde bij zijn algemene relativiteitstheorie 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 de Sitter is tegenwoordig weer actueel in de inflatietheorie van de oerknal. Onafhankelijk vond Alexander Friedmann oplossingen voor de vergelijkingen van de algemene relativiteit, die een uitdijend heelal beschreven. Voortbordurend op het heelal van De Sitter, publiceerde ook de Belgische priester Georges Lemaître oplossingen voor een dynamisch heelal.
[bewerk] De oerknal
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. Deze vaststelling 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. De eerste theorie van het heelal dat met een geweldige explosie uit een oeratoom moet zijn ontstaan, werd in 1931 geformuleerd door Lemaître. Lemaître kwam ook tot een bijna juiste schatting van het moment waarop het heelal zou zijn ontstaan: ongeveer 15 miljard jaar geleden.
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.
[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.
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.
[bewerk] Argumenten
Er zijn drie belangrijke argumenten waarom het heelal uit een oerknal moet zijn ontstaan:
- Spectroscopische waarnemingen van sterrenstelsels 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.
[bewerk] Fundamentele problemen
Alhoewel de theorie van de oerknal sinds de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling 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 waren:
- 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] 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 heelal bevindt zich in een kleine hete dichte kwantumtoestand. Uit de vacuümenergie ontstaan fotonen. Het heelal bestaat dus uit stralingsenergie. |
| 10-11 seconden | Het heelal is koud genoeg voor het ontstaan van deeltjes (quarks) en antideeltjes (anti-quarks) uit straling. Voor elk deeltje is er één antideeltje. |
| 10-10 seconden | De temperatuurdaling maakt het nu mogelijk dat bosonen (W-, W+ en Z) ontstaan die verantwoordelijk zijn voor het overbrengen van de zwakke wisselwerking. De zwakke wisselwerking werkt maar over een zeer kleine afstand. De zwakke wisselwerking verbreekt de pariteitsymmetrie tussen deeltjes en antideeltjes. Dit noemt men de spontane symmetriebreking. Daardoor veranderde de verhouding deeltjes:antideeltjes volgens Steven Weinberg naar 300000:299999. Nadien annihileren deeltjes en antideeltjes elkaar. Dit verklaart, waarom er nu bijna geen antimaterie meer voorkomt in het heelal. |
| 10-4 seconden. | gluonen ontstaan, die de sterke kernkracht overbrengen. Quarks vormen daarom grotere deeltjes: onstabiele mesonen (twee quarks) en stabiele baryonen (drie quarks) (protonen en neutronen). Volgens de Kwantumchromodynamica (QCD) konden quarks en gluonen maar los van elkaar bestaan, mits de temperatuur hoog genoeg was. |
| 1 seconde | De verhouding protonen en neutronen wordt stabiel: 7 staat tot 1. Daarvoor vielen neutronen uiteen tot protonen, elektronen en antineutrino's. Die verhouding bepaalt ook de latere verhouding waterstof en helium. |
| 100 seconden. | Oerknal-nucleosynthese. Neutronen binden zich aan protonen en vormen zo kernen van deuterium, tritium, helium-3, helium-4 en lithium-7. |
| 10.000 jaar. | Fotonen zijn nu zwart lichaam straling, dus in evenwicht met de temperatuur 2,725 Kelvin van materie volgens de wet van Planck. Die straling wordt nu nog in het microgolfspectrum bij 23 GHz waargenomen als kosmische achtergrondstraling. |
| 379.000 jaar. | De elektromagnetische kracht bindt elektronen aan atoomkernen en vormt zo waterstof-, helium- en lithiumatomen. Zo wordt het heelal doorzichtig. |
| 200 miljoen jaar. | De zwaartekracht trekt waterstofgas samen. Zo ontstaan de eerste sterren. |
| 200 miljoen tot 13,7 miljard jaar. | Nucleosynthese: Kernfusie vormt in sterren zwaardere elementen van Be tot Fe. Supernova explosies maken het mogelijk dat ons zonnestelsel wordt gevormd met nog zwaardere elementen van Fe tot U. |
| Heden (13,7 miljard jaren later) | Baryongetal uiteraard nog steeds 1078 dit is maar 4% van de totale massa: 23% is donkere materie en 73% is donkere energie. |
[bewerk] Toekomst
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. Big Chill of Big Rip
- 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. Big Crunch
- 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] Externe links
| {{{afb_links}}} | Astronomie | {{{afb_rechts}}} | {{{afb_groot}}} |
|---|---|---|---|
|
Kosmologie - Planetologie - Heelal - Atmosfeer - Hemellichaam - Zonnestelsel - Melkwegstelsel - Oerknal - Planeet - Planetoïde - Komeet - Ster - Sterrenbeeld - Meteoroïde - Messierobject |
