Hoe is het universum begonnen?

Hoe is het universum begonnen? Dat is een vraag die wetenschappers en filosofen door de geschiedenis heen hebben nagedacht toen ze naar de sterrenhemel hierboven keken. Het is de taak van astronomie en astrofysica om een ​​antwoord te bieden. Het is echter niet eenvoudig om aan te pakken.

Het concept van een kunstenaar over hoe de oerknal eruit had kunnen zien, als er iemand was geweest om hem te zien. HENNING DALHOFF / Getty Images

De eerste grote glimpjes van een antwoord kwamen uit de lucht in 1964. Toen ontdekten astronomen Arno Penzias en Robert Wilson een microgolfsignaal begraven in gegevens die ze verzamelden om te zoeken naar signalen die werden teruggestuurd door Echo-ballonsatellieten. Ze namen toen aan dat het gewoon ongewenste ruis was en probeerden het signaal weg te filteren.

De antenne die Penzias en Wilson gebruikten toen ze de signalen van de kosmische achtergrondstraling tegenkwamen die de geboorte van het universum aankondigde. Fabioj, CC BY-SA 3.0

Het bleek echter dat wat ze ontdekten uit een tijd kwam kort na het begin van het universum. Hoewel ze het toen nog niet wisten, hadden ze de Cosmic Microwave Background (CMB) ontdekt. De CMB was voorspeld door een theorie genaamd de Big Bang, die suggereerde dat het universum begon als een dicht hot point in de ruimte en zich plotseling naar buiten uitbreidde. De ontdekking van de twee mannen was het eerste bewijs van die oorspronkelijke gebeurtenis.

De oerknal

Wat begon de geboorte van het universum? Volgens de natuurkunde is het universum ontstaan ​​vanuit een singulariteit - een term die natuurkundigen gebruiken om ruimtegebieden te beschrijven die de natuurwetten tarten. Ze weten heel weinig over singulariteiten, maar het is bekend dat dergelijke regio's bestaan ​​in de kernen van zwarte gaten. Het is een regio waar alle massa opgeslokt door een zwart gat in een klein punt wordt geperst, oneindig massief, maar ook heel, heel klein. Stel je voor dat je de aarde in iets zo groot als een pinpoint propt. Een singulariteit zou kleiner zijn.

Dat wil niet zeggen dat het universum echter begon als een zwart gat. Een dergelijke veronderstelling zou de vraag doen rijzen of er iets bestaat voordat de oerknal, die behoorlijk speculatief is. Per definitie bestond er niets vóór het begin, maar dat feit creëert meer vragen dan antwoorden. Als er bijvoorbeeld niets bestond vóór de oerknal, wat was dan de oorzaak van de singulariteit? Het is een "gotcha" -vraag die astrofysici nog steeds proberen te begrijpen. 

Toen de singulariteit eenmaal was gecreëerd (hoe het ook gebeurde), hebben fysici echter een goed idee van wat er daarna gebeurde. Het universum was in een hete, dichte staat en begon uit te breiden door een proces dat inflatie wordt genoemd. Het ging van heel klein en heel dicht, tot een zeer hete staat. Daarna koelde het af terwijl het zich uitbreidde. Dit proces wordt nu de Big Bang genoemd, een term die voor het eerst werd bedacht door Sir Fred Hoyle tijdens een radio-uitzending van British Broadcasting Corporation (BBC) in 1950.

Hoewel de term een ​​soort explosie impliceert, was er echt geen uitbarsting of een knal. Het was echt de snelle uitbreiding van ruimte en tijd. Zie het als het opblazen van een ballon: als iemand lucht naar binnen blaast, zet de buitenkant van de ballon naar buiten uit.

De momenten na de oerknal

Het zeer vroege universum (een paar fracties van een seconde nadat de oerknal begon) was niet gebonden aan de natuurwetten zoals we die vandaag kennen. Niemand kan dus met grote nauwkeurigheid voorspellen hoe het universum er toen uitzag. Maar toch, wetenschappers hebben in staat geweest om een ​​benadering bij benadering te construeren van hoe het universum evolueerde.

Ten eerste was het baby-universum aanvankelijk zo heet en dicht dat zelfs elementaire deeltjes zoals protonen en neutronen niet konden bestaan. In plaats daarvan kwamen verschillende soorten materie (materie en anti-materie genoemd) samen en creëerden pure energie. Terwijl het universum de eerste paar minuten begon af te koelen, begonnen zich protonen en neutronen te vormen. Langzaam kwamen protonen, neutronen en elektronen samen om waterstof en kleine hoeveelheden helium te vormen. Gedurende de miljarden jaren die daarop volgden, werden sterren, planeten en sterrenstelsels gevormd om het huidige universum te creëren.

Bewijs voor de oerknal

Dus terug naar Penzias en Wilson en de CMB. Wat ze vonden (en waarvoor ze een Nobelprijs wonnen), wordt vaak beschreven als de 'echo' van de oerknal. Het liet een handtekening van zichzelf achter, net zoals een echo in een canyon een 'handtekening' van het oorspronkelijke geluid vertegenwoordigt. Het verschil is dat in plaats van een hoorbare echo, de aanwijzing van de Big Bang een hittesignatuur is in alle ruimte. Die handtekening is specifiek onderzocht door het ruimtevaartuig Cosmic Background Explorer (COBE) en de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP). Hun gegevens leveren het duidelijkste bewijs voor de kosmische geboorte. 

Het gedetailleerde, all-sky beeld van het baby-universum gemaakt op basis van zeven jaar WMAP-gegevens. Het beeld onthult 13,7 miljard jaar oude temperatuurschommelingen (weergegeven als kleurverschillen) die overeenkomen met de zaden die groeiden tot de sterrenstelsels. NASA / WMAP Science Team

Alternatieven voor de Big Bang Theory

Hoewel de oerknaltheorie het meest geaccepteerde model is dat de oorsprong van het universum verklaart en wordt ondersteund door al het observationele bewijs, zijn er andere modellen die hetzelfde bewijs gebruiken om een ​​iets ander verhaal te vertellen.

Sommige theoretici beweren dat de Big Bang-theorie is gebaseerd op een onjuiste premisse - dat het universum is gebouwd op een steeds groter wordende ruimtetijd. Ze suggereren een statisch universum, wat oorspronkelijk werd voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Einsteins theorie werd pas later aangepast aan de manier waarop het universum lijkt uit te breiden. En uitbreiding is een groot deel van het verhaal, vooral omdat het het bestaan ​​van donkere energie inhoudt. Ten slotte lijkt een herberekening van de massa van het universum de Big Bang-theorie van gebeurtenissen te ondersteunen. 

Hoewel ons begrip van de feitelijke gebeurtenissen nog steeds onvolledig is, helpen CMB-gegevens bij het vormen van de theorieën die de geboorte van de kosmos verklaren. Zonder de oerknal zouden er geen sterren, sterrenstelsels, planeten of leven kunnen bestaan.