Cyclisch model van het heelal: de degeneratie van materie vindt eindeloos plaats

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

In het begin van de jaren 2000 stelden twee natuurkundigen van Princeton University een kosmologisch model voor, volgens welke de oerknal geen unieke gebeurtenis is, maar dat ruimtetijd bestond lang voordat het universum werd geboren.

In het cyclische model doorloopt het universum een oneindige zichzelf in stand houdende cyclus. In de jaren dertig bracht Albert Einstein het idee naar voren dat het universum een eindeloze cyclus van oerknal en grote compressies kan ervaren. De uitdijing van ons heelal kan het gevolg zijn van de ineenstorting van het vorige heelal. Binnen het kader van dit model kunnen we zeggen dat het heelal werd herboren uit de dood van zijn voorganger. Als dat zo is, dan was de oerknal niet iets unieks, het is slechts een kleine explosie tussen een oneindig aantal andere. De cyclische theorie vervangt niet noodzakelijk de oerknaltheorie, maar probeert andere vragen te beantwoorden: wat gebeurde er bijvoorbeeld vóór de oerknal en waarom leidde de oerknal tot een periode van snelle expansie?

Een van de nieuwe cyclische modellen van het heelal werd in 2001 voorgesteld door Paul Steinhardt en Neil Turok. Steinhardt beschreef dit model in zijn artikel, dat The Cyclic Model of the Univers heette. In de snaartheorie is een membraan of 'brane' een object dat in een aantal dimensies bestaat. Volgens Steinhardt en Turok komen de drie ruimtelijke dimensies die we zien overeen met deze branen. Twee 3D-branen kunnen parallel bestaan, gescheiden door een extra, verborgen dimensie. Deze branen - ze kunnen worden gezien als metalen platen - kunnen langs deze extra dimensie bewegen en met elkaar botsen, waardoor de oerknal ontstaat, en dus universums (zoals de onze). Wanneer ze botsen, ontvouwen de gebeurtenissen zich volgens het standaard Big Bang-model: hete materie en straling worden gecreëerd, snelle inflatie vindt plaats, en dan koelt alles af - en structuren zoals sterrenstelsels, sterren en planeten worden gevormd. Steinhardt en Turok beweren echter dat er altijd enige interactie is tussen deze branen, die ze interbraan noemen: het trekt ze samen, waardoor ze opnieuw botsen en de volgende oerknal produceren.

Het model van Steinhardt en Turok stelt niettemin enkele aannames van het oerknalmodel ter discussie. De oerknal was volgens hen bijvoorbeeld niet het begin van ruimte en tijd, maar eerder een overgang uit een eerdere fase van evolutie. Als we het hebben over het Big Bang-model, dan staat er dat deze gebeurtenis het onmiddellijke begin van ruimte en tijd als zodanig markeerde. Bovendien moet in deze cyclus van botsende branen de grootschalige structuur van het heelal worden bepaald door de compressiefase: dat wil zeggen, dit gebeurt voordat ze botsen en de volgende oerknal plaatsvindt. Volgens de oerknaltheorie wordt de grootschalige structuur van het heelal bepaald door een periode van snelle uitdijing (inflatie), die kort na de explosie plaatsvond. Bovendien voorspelt het Big Bang-model niet hoe lang het heelal zal bestaan, en in het Steinhardt-model is de duur van elke cyclus ongeveer een biljoen jaar.

Het goede aan het cyclische model van het heelal is dat het, in tegenstelling tot het oerknalmodel, de zogenaamde kosmologische constante kan verklaren. De grootte van deze constante houdt rechtstreeks verband met de versnelde uitdijing van het heelal: het verklaart waarom de ruimte zo snel uitdijt. Volgens waarnemingen is de waarde van de kosmologische constante erg klein. Tot voor kort werd aangenomen dat de waarde 120 orden van grootte minder is dan voorspeld door de standaard Big Bang-theorie. Dit verschil tussen waarneming en theorie is lange tijd een van de grootste problemen in de moderne kosmologie geweest. Nog niet zo lang geleden werden echter nieuwe gegevens verkregen over de uitdijing van het heelal, volgens welke het sneller uitdijt dan eerder werd gedacht. Het blijft wachten op nieuwe waarnemingen en bevestiging (of weerlegging) van de reeds verkregen gegevens.

Steven Weinberg, Nobelprijswinnaar 1979, probeert het verschil tussen het observeren en voorspellen van een model te verklaren met behulp van het zogenaamde antropische principe. Volgens hem is de waarde van de kosmologische constante willekeurig en verschilt deze in verschillende delen van het heelal. Het zou ons niet moeten verbazen dat we in zo'n zeldzaam gebied leven waar we een kleine waarde van deze constante waarnemen, want alleen met deze waarde kunnen sterren, planeten en leven zich ontwikkelen. Sommige natuurkundigen zijn echter niet tevreden met deze verklaring vanwege het gebrek aan bewijs dat deze waarde anders is in andere regio's in het waarneembare heelal.

Een soortgelijk model werd in de jaren tachtig ontwikkeld door de Amerikaanse natuurkundige Larry Abbott. In zijn model was de afname van de kosmologische constante tot lage waarden echter zo lang dat alle materie in het heelal gedurende zo'n periode in de ruimte zou verstrooien, waardoor het in feite leeg zou blijven. Volgens het cyclische model van het heelal van Steinhardt en Turok is de reden waarom de waarde van de kosmologische constante zo klein is, dat deze aanvankelijk erg groot was, maar na verloop van tijd, bij elke nieuwe cyclus, afnam. Met andere woorden, bij elke grote explosie wordt de hoeveelheid materie en straling in het heelal "op nul gesteld", maar niet de kosmologische constante. Gedurende vele cycli is de waarde ervan gedaald en vandaag nemen we precies deze waarde waar (5, 98 x 10-10 J / m3).

In een interview sprak Neil Turok als volgt over zijn en Steinhardt's model van het cyclische universum:

“We hebben een mechanisme voorgesteld waarin supersnaartheorie en M-theorie (onze beste gecombineerde theorieën over kwantumzwaartekracht) het universum door de oerknal laten gaan. Maar om te begrijpen of onze veronderstelling volledig consistent is, is verder theoretisch werk nodig."

Wetenschappers hopen dat met de ontwikkeling van technologie er een mogelijkheid zal zijn om deze theorie samen met anderen te testen. Dus, volgens het standaard kosmologische model (ΛCDM), volgde een periode die bekend staat als inflatie kort na de oerknal, die het universum vulde met zwaartekrachtsgolven. In 2015 werd een zwaartekrachtgolfsignaal geregistreerd, waarvan de vorm samenviel met de voorspelling van de algemene relativiteitstheorie voor de samensmelting van twee zwarte gaten (GW150914). In 2017 kregen natuurkundigen Kip Thorne, Rainer Weiss en Barry Barish de Nobelprijs voor deze ontdekking. Ook werden vervolgens zwaartekrachtsgolven geregistreerd die voortkwamen uit het samensmelten van twee neutronensterren (GW170817). Zwaartekrachtgolven van kosmische inflatie zijn echter nog niet geregistreerd. Bovendien merken Steinhardt en Turok op dat als hun model correct is, dergelijke zwaartekrachtsgolven te klein zullen zijn om te worden "gedetecteerd".