3 december 2020

Opwarming met kwantum-zwaartekracht bracht de knal in de oerknal

Credit: Christine Daniloff, MIT, ESA/Hubble and NASA

In 2012 stelde de bekende natuurkundige Michio Kaku de vraag ‘What put the bang in the Big Bang?‘ – wat bracht de knal in de oerknal? Wetenschappers van het Massachussets Institute of Technology (MIT) lijken die vraag nu beantwoord te hebben. Al sinds Alan Guth in 1979 aankwam met de theorie van de inflatie denken sterrenkundigen dat het verloop van de oerknal als volgt ging: eerst was er het moment van de singulariteit, waar niets over bekend is, alleen dat toen de tijd begon (t=0) en de ruimte ontstond. Vervolgens begon ergens tussen 10^-33 en 10^-32 seconden later de kosmische inflatie, waarbij het heelal exponentieel ging uitdijen. Het heelal was aan het begin zo groot als honderd miljardste van een proton. De periode van inflatie duurde slechts 10^-36 seconden, gedurende welke hij 10^26 keer zo groot werd, en hij begon met iets wat men superkoeling noemt, waarbij de temperatuur van de materie met een factor 100.000 afnam (van 10^27 K tot 10^22 K). De MIT-onderzoekers, die onder leiding stonden van David Kaiser, hebben nu met behulp van simulaties ontdekt dat de inflatieperiode eindigt met een opwarming (‘reheating’ noemen ze het), waarbij de temperatuur dankzij kwantum-effecten van de zwaartekracht weer stijgt tot die van de pre-inflatieperiode. En als de inflatieperiode eindigt begint de oerknal zoals wij die kennen, de uitdijende ultrahete soep van elementaire deeltjes en straling. Volgens Kaiser en z’n collega’s begon de opwarming met resonanties, die door de materie heen gingen en voor een golf van nieuwe deeltjes zorgden. Bij hun simulaties pasten de onderzoekers niet de zwaartekracht volgens Einstein’s Algemene Relativiteitstheorie (ART) toe, maar een aangepaste versie, waarin ook kwantumeffecten worden meegenomen. In de ART wordt de zwaartekracht gezien als een constante factor met een zogeheten ‘minimale koppeling’, dat wil zeggen dat hoeveel energie een deeltje ook bezit, de zwaartekracht er altijd met dezelfde kracht op werkt. In de extreme omstandigheden van de inflatieperiode werkte de zwaartekracht anders, had ‘ie een nonminimale koppeling, waarbij de zwaartekracht kan variëren in ruimte en tijd. Dankzij deze kwantum-effecten van de zwaartekracht kon de opwarming in een periode van 2 tot 3 e-folds plaatsvinden, da’s de term die men hanteert voor de periode dat het heelal drie keer zo groot wordt – de gehele inflatieperiode duurde 60 e-folds. Hier het vakartikel over de opwarming gedurende de inflatieperiode, gisteren verschenen in Physical Review Letters. Bron: MIT.

Comments

  1. Andre van Hooren zegt

    Ik heb nu een samenvattingen van dit onderzoek gelezen, maar nergens staat iets over het verdwijnen van materie en anti-materie, waarna een klein beetje gewone materie overblijft. Dit is een nog onbekend proces, dus mijn vraag is: vindt dit annihilatie proces plaats na de beschrijving in dit model, of speelt dit proces helemaal geen rol?
    Zij stellen dat hun model in goede overeenstemming is met de metingen van de CMB, en dat is lang na het annihilatieproces.
    Andre

    • Baryogenesis is gebeurd tegen de tijd dat het heelal 1 seconde oud is. Dat is na inflatie.

      We weten inderdaad nog niet hoe dit werkte, maar wel is bekend dat het heelal een bepaalde energie (temperatuur) moet hebben om elementaire deeltjes te kunnen maken, zoals dat ook in deeltjesversnellers een vereiste is. Zo’n model als uit dit artikel, waarin reheating van dat heelal gebeurt, kun je dan extrapoleren naar de tijd van het ontstaan van de CMB. Bijvoorbeeld door te kijken hoe lang het duurt voordat iets als CMB in je model ontstaat en welke temperatuurverdeling dat dan heeft. En dat kun je dan toetsen aan de waarnemingen van de CMB.

      Zo kun je dus overeenstemming vinden tussen theorie en waarneming zonder dat je precies hoeft te weten wat er aan voorafging.

    • Quote: “En als de inflatieperiode eindigt begint de oerknal zoals wij die kennen, de uitdijende ultrahete soep van elementaire deeltjes en straling.”

      Volgens mij staat het er toch genoemd. 😉

      Groet, Paul

  2. Wat ik me afvraag,
    – Waarom heeft dit proces zich wel eenmalig voorgedaan zo’n 13,8 miljard jaar terug, maar daarna nooit meer. Of kan er bv morgen opnieuw een dergelijk ‘event’ zich voor doen?
    ( bv in het topje van mijn vinger, nabij Sgr A* of juist op ‘de leegste plek’ in het Al? )

    Tijd en Ruimte ontstonden op het moment van ‘De Singulariteit’, maar ontstonden toen dan ook al de natuurwetten? Kennelijk was er ook al Massa/Energie om de (alle 4? fundamentele) natuurkrachten op bot te vieren… ?
    Zijn er wel Kwantum temperatuurverschillen in de orde-grootte van 10^-27 K ?

    Groet, Paul

    • “Waarom heeft dit proces zich wel eenmalig voorgedaan zo’n 13,8 miljard jaar terug, maar daarna nooit meer.”

      Het kan best vaker zijn gebeurd. Niemand kan het zien, of de effecten ervan zien – voor zover we nu althans weten. Het kan zijn dat niet alleen in ons lokale deel maar in verschillende regio’s van het heelal (de delen die voorbij onze kosmische horizon liggen) inflatie gestopt is; in deze regio’s zullen waarnemers hun eigen BB kennen, maar ze zijn gescheiden door regio’s waar inflatie doorgaat en zullen daarom nooit contact kunnen hebben met andere regio’s waar inflatie gestopt is. Zie: eternal inflation.

      “Of kan er bv morgen opnieuw een dergelijk ‘event’ zich voor doen?”

      Je kunt de oerknal zien als een transitie van een hoger energieniveau naar een lager, als ik het tenminste goed verwoord, en dat zou spontaan nogmaals kunnen gebeuren, ook in ons lokale heelal, als ons vacuum niet de laagst mogelijke energietoestand is. Dat hangt weer samen met de precieze massa van het Higgsboson. Zie: false vacuum decay.

      Vergeet verder het idee van “De Singulariteit”. Ethan Siegel legt hier uit waarom: https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/10/22/what-came-first-inflation-or-the-big-bang/#47caf6344153

  3. Op zich snap ik dat men die singulariteit graag wil vermijden. Maar dan blijf je zitten met de vraag onder welke omstandigheden de inflatie start. Dé energiebron voor de inflatie is het inflaton, het hypothetische scalardeeltje. Waar komt die vandaan zetten? Was er één verenigde natuurkracht of toch meerdere?

    • @Arie
      Ik denk niet dat het uitmaakt of men de singulariteit wil vermijden. De theorie en waarnemingen zelf leiden tot de conclusie dat er voor de BB geen singulariteit was.

      Als je de singulariteit niet vermijdt, zijn die vragen er natuurlijk evengoed, en zit je ook nog met de vragen die je nu met inflatie kunt oplossen.

      Wat niet wegneemt dat ze reuze interessant zijn! Maar de antwoorden heeft nog niemand.

  4. Andre van Hooren zegt

    @June, @Obelix.
    Bedankt voor de uitleg, ik geloof dat ik nu wel begrijp dat de preciese vorm van annihilatie er niet toe doet.
    groeten, Andre

Speak Your Mind

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.

%d bloggers liken dit: