De oerknal

De Belgische Jezuïetenrpiester Georges Lemaître trok eind jaren twintig een heel voor de hand liggende conclusie uit Hubbles ontdekking van de uitdijing van het heelal. Als alle sterrenstelsels nu uit elkaar bewegen, zo redeneerde Lemaître, moeten ze lang geleden op veel kleinere onderlinge afstanden hebben gestaan. Nóg langer geleden bevond alle materie in de kosmos zich waarschijnlijk dicht opeengepakt. Lemaître noemde die hypothetische begintoestand het ‘oeratoom’, en hij suggereerde dat de uitdijing van het heelal in gang gezet is door de explosie van dit ‘kosmisch ei’. Georges Lemaître was de geestelijk vader van de oerknaltheorie.

In de loop van de jaren dertig was het de Russische geleerde George Gamow die voorrekende dat die oertoestand enorm heet geweest moet zijn. Volgens Gamow waren op die manier alle zware elementen in het heelal ontstaan. Gamow was atoomfysicus, en zijn werk aan de ontwikkeling van de atoombom vertoonde in feite belangrijke parallellen met zijn theoretisch onderzoek aan de oerknal.

big_bang_and_galaxies

Pas later bleek dat die conclusie wat te voorbarig was. Zoals later ter sprake zal komen, zijn vrijwel alle zware elementen in de natuur ontstaan bij kernfusieprocessen in het inwendige van sterren, of tijdens supernova-explosies. Maar wat helium betreft had Gamow het bij het rechte eind: ongeveer een kwart van alle materie in het heelal bestaat uit helium, en dat is voor het overgrote deel ontstaan tijdens de oerknal. Sterker nog: de oerknaltheorie verklaart precies waarom het heliumgehalte in het heelal vierentwintig procent bedraagt, precies de waarde die ook daadwerkelijk wordt waargenomen.

Het meest overtuigende bewijs voor de juistheid van de oerknaltheorie werd halverwege de jaren zestig gevonden door twee Amerikaanse radiotechnici. Arno Penzias en Robert Wilson ontdekten met een grote hoornantenne in Holmdel (New Jersey) een zwakke radioruis die in elke richting even sterk is. Deze kosmische achtergrondstraling moet beschouwd worden als een soort zwakke ‘echo’ van de oerknal. De energie die tijdens de oerknalfase werd uitgestraald, is in de loop van de tijd verdund en sterk roodverschoven als gevolg van de uitdijing van het heelal, en van de oogverblindende straling van weleer is nu niet meer over dan een heel zwak ruissignaal op een golflengte van ongeveer één millimeter.

Er zijn maar weinig astronomen die nog twijfelen aan de juistheid van de oerknaltheorie. De theorie sluit mooi aan bij de ontdekking van de uitdijing van het heelal. Ze biedt een overtuigende verklaring voor het waargenomen heliumgehalte van het heelal (en ook voor de minieme hoeveelheden lithium en deuterium, twee andere lichte elementen). De oerknaltheorie voorspelt dat het heelal evolueert, en dat is inderdaad het geval: op grote afstanden (waar we ver terugkijken in de tijd, omdat het licht uit die ver weg gelegen gebieden miljarden jaren nodig heeft gehad om op aarde aan te komen) vertoont het heelal andere eigenschappen dan in onze directe omgeving. En tot slot kunnen de eigenschappen van de kosmische achtergrondstraling tot in detail verklaard worden door de theorie van de oerknal.

Het oorspronkelijke idee van Lemaître en Gamow werd eigenlijk pas eind jaren zestig, na de ontdekking van de kosmische achtergrondstraling, serieus genomen. Daarna heeft de oerknaltheorie nog wel de nodige aanpassingen ondergaan. In de moderne versie wordt ervan uitgegaan dat het heelal in de allereerste minieme fractie van een seconde een zogeheten exponentiële uitdijing vertoonde. Die ‘inflatiehypothese’ was nodig om bepaalde problemen met de oerknaltheorie uit de weg te ruimen. Bovendien leek zo’n exponentiële uitdijing goed aan te sluiten bij de toenmalige theorieën over elementaire deeltjes en de structuur van het vacuüm.

De inflatiehypothese en de exponentiële uitdijing zijn niet in een paar woorden uit te leggen. Maar deze aanvulling op de oorspronkelijke oerknaltheorie doet wel een heel bijzondere uitspraak over de hoeveelheid materie in het heelal. Als de inflatiehypothese juist is, moet er precies genoeg materie in de kosmos aanwezig zijn om de uitdijing van het heelal in de verre, verre toekomst tot stilstand te brengen. Bij een lagere materiedichtheid zou de uitdijing tot in de eeuwigheid doorgaan; bij een hogere dichtheid zou de uitdijing in de toekomst omkeren in een inkrimping. De ‘nieuwe oerknaltheorie’ balanceert precies tussen deze twee mogelijkheden: de uitdijing wordt in de verre, verre toekomst tot staan gebracht, maar zal nooit omkeren in een inkrimping.

Leave a Reply