Wat gebeurde er vóór de oerknal?

In het begin was er een oneindig dicht, klein bolletje materie. Toen ging het allemaal knallend, waardoor de atomen, moleculen, sterren en sterrenstelsels ontstonden die we vandaag zien.

Dat is tenminste wat natuurkundigen ons de afgelopen decennia hebben verteld. 

Maar nieuw theoretisch natuurkundig onderzoek heeft onlangs een mogelijk venster op het zeer vroege universum aan het licht gebracht, waaruit blijkt dat het misschien toch niet "erg vroeg" is. In plaats daarvan is het misschien gewoon de laatste iteratie van een bang-bounce-cyclus die al ... nou ja, minstens één keer en mogelijk voor altijd aan de gang is. 

Voordat natuurkundigen besluiten de oerknal weg te gooien ten gunste van een knal-bounce-cyclus, zullen deze theoretische voorspellingen natuurlijk een aanval van observatietests moeten overleven..

Stuiterende kosmologieën

Wetenschappers hebben een heel goed beeld van het zeer vroege universum, iets dat we kennen en waarderen als de oerknaltheorie. In dit model was het heelal lang geleden veel kleiner, veel heter en veel dichter dan nu. In dat vroege inferno 13,8 miljard jaar geleden werden alle elementen die ons maken tot wat we zijn gevormd in een tijdsbestek van ongeveer een dozijn minuten.

Zelfs eerder, zo gaat dit denken, was op een gegeven moment ons hele universum - alle sterren, alle sterrenstelsels, al het alles - zo groot als een perzik en had het een temperatuur van meer dan een biljard graden..

Verbazingwekkend genoeg houdt dit fantastische verhaal vast aan alle huidige observaties. Astronomen hebben alles gedaan, van het observeren van de overgebleven elektromagnetische straling van het jonge universum tot het meten van de overvloed van de lichtste elementen, en ontdekten dat ze allemaal overeenkomen met wat de oerknal voorspelt. Voor zover we kunnen nagaan, is dit een nauwkeurig portret van ons vroege universum.

Maar hoe goed het ook is, we weten dat het oerknalbeeld niet compleet is - er ontbreekt een puzzelstukje, en dat stuk zijn de vroegste momenten van het universum zelf.

Dat is een behoorlijk groot stuk.

Verwant: Van oerknal tot heden: momentopnames van ons universum door de tijd heen

De vuurzee

Het probleem is dat de fysica die we gebruiken om het vroege universum te begrijpen (een wonderbaarlijk gecompliceerde mengelmoes van algemene relativiteitstheorie en hoogenergetische deeltjesfysica) ons maar zo ver kan brengen voordat het kapot gaat. Terwijl we proberen dieper en dieper in de eerste momenten van onze kosmos te duwen, wordt de wiskunde steeds moeilijker op te lossen, helemaal tot het punt waarop het gewoon ... stopt.

Het belangrijkste teken dat we terrein hebben dat nog moet worden verkend, is de aanwezigheid van een 'singulariteit' of een punt van oneindige dichtheid aan het begin van de oerknal. Op het eerste gezicht genomen, vertelt dit ons dat het universum op een gegeven moment in een oneindig klein, oneindig dicht punt was gepropt. Dit is duidelijk absurd, en wat het ons echt vertelt, is dat we nieuwe fysica nodig hebben om dit probleem op te lossen - onze huidige toolkit is gewoon niet goed genoeg.

Verwant: 8 manieren waarop je de relativiteitstheorie van Einstein in het echt kunt zien

Om de dag te redden hebben we wat nieuwe fysica nodig, iets dat in staat is om de zwaartekracht en de andere krachten, gecombineerd, met ultrahoge energieën te verwerken. En dat is precies wat de snaartheorie beweert te zijn: een natuurkundig model dat in staat is om met de zwaartekracht en de andere krachten, gecombineerd, met ultrahoge energieën om te gaan. Wat betekent dat de snaartheorie beweert dat het de vroegste momenten van het universum kan verklaren.

Een van de vroegste begrippen uit de snaartheorie is het "ekpyrotische" universum, dat afkomstig is van het Griekse woord voor "vuur" of vuur. In dit scenario werd wat we kennen als de oerknal aangewakkerd door iets anders dat ervoor gebeurde - de oerknal was geen begin, maar een onderdeel van een groter proces.

De uitbreiding van het ekpyrotische concept heeft geleid tot een theorie, opnieuw gemotiveerd door de snaartheorie, genaamd cyclische kosmologie. Ik veronderstel dat, technisch gezien, het idee van het universum dat zich voortdurend herhaalt duizenden jaren oud is en ouder is dan de natuurkunde, maar de snaartheorie gaf het idee een stevige wiskundige basis. Het cyclische universum werkt precies zoals je je misschien kunt voorstellen, voortdurend stuiterend tussen oerknallen en grote crunches, mogelijk voor de eeuwigheid terug in de tijd en voor de eeuwigheid in de toekomst.

Voor het begin

Hoe cool dit ook klinkt, vroege versies van het cyclische model hadden moeite met het matchen van waarnemingen - wat een groot probleem is als je wetenschap probeert te doen en niet alleen verhalen vertelt rond het kampvuur.. 

De belangrijkste hindernis was het eens zijn met onze waarnemingen van de kosmische microgolfachtergrond, het fossiele licht dat overbleef van toen het universum nog maar 380.000 jaar oud was. Hoewel we niet direct voorbij die muur van licht kunnen kijken, als je theoretisch begint te sleutelen aan de fysica van de babykosmos, beïnvloed je dat nagloeiende lichtpatroon.

En dus leek het erop dat een cyclisch universum een ​​keurig maar onjuist idee was.

Maar de ekpyrotische fakkel is in de loop der jaren blijven branden en een artikel dat in januari in de arXiv-database is gepubliceerd, heeft de rimpels in de wiskunde onderzocht en enkele eerder gemiste kansen blootgelegd. De natuurkundigen, Robert Brandenberger en Ziwei Wang van de McGill University in Canada, ontdekten dat op het moment van de 'stuitering', wanneer ons universum krimpt tot een ongelooflijk klein punt en terugkeert naar een oerknaltoestand, het mogelijk is om alles op een rij te krijgen om het juiste observationeel getest resultaat.

Met andere woorden, de gecompliceerde (en, toegegeven, slecht begrepen) fysica van dit kritieke tijdperk kan inderdaad een radicaal herziene kijk op onze tijd en plaats in de kosmos mogelijk maken..

Maar om dit model volledig te testen, zullen we moeten wachten op een nieuwe generatie kosmologie-experimenten, dus laten we wachten om de ekpyrotische champagne uit te breken.

Paul M.Sutter is astrofysicus bij SUNY Stony Brook en het Flatiron Institute, gastheer van Vraag een ruimteman en Space Radio, en auteur van Jouw plaats in het heelal.

• De grootste onopgeloste mysteries in de natuurkunde
• De 12 vreemdste objecten in het universum
• Big Bang to civilization: 10 geweldige oorspronggebeurtenissen

Oorspronkelijk gepubliceerd op .

AANBIEDING: Bespaar 45% op 'How It Works' All About Space 'en' All About History '!

Voor een beperkte tijd kun je een digitaal abonnement nemen op een van onze bestverkochte wetenschappelijke tijdschriften voor slechts $ 2,38 per maand, of 45% korting op de standaardprijs voor de eerste drie maanden.