14 juni 2024

Zó klein waren de dichtheidsverschillen kort na de oerknal

Computersimulatie van het kosmische web. Credit: Millenium simulation

Kijken we vanaf de aarde naar het heelal om ons heen dan zien we een veelheid aan manen en planeten, sterren, gas- en stofwolken en sterrenstelsels aan de hemel. Op grotere schaal is er echter sprake van een homogeen en isotroop heelal. Ze noemen dat het kosmologische principe: de aanname in de kosmologie dat het heelal op grote schaal er in alle richtingen hetzelfde uitziet (isotroop) en dat het op iedere plaats dezelfde eigenschappen bezit (homogeen). Die uniformiteit was er ook in het allervroegste heelal, kort na de oerknal, waarmee 13,8 miljard jaar geleden het heelal ontstond. Stel dat je een paar seconden na de oerknal een volume nam met een bepaalde diameter, dan zat daar een bepaalde hoeveelheid massa is. Nam je duizend van die volumes van gebieden willekeurig ergens in het net ontstane heelal dan:

  • hadden ongeveer 683 gebieden tussen de 99,997% en 100,03% van de gemiddelde dichtheid
  • hadden ongeveer 954 gebieden tussen de 99,994% en 100,006% van de gemiddelde dichtheid
  • hadden ongeveer 997 gebieden tussen de 99,991% en 100,009% van de gemiddelde dichtheid
  • en hadden tenslotte alle 1000 gebieden tussen de 99,988% en 100,012% van de gemiddelde dichtheid.

Je ziet het: er waren verschillen in dichtheid, maar die waren zéér klein (met dank aan Ethan Siegel voor de cijfers!). Men denkt dat de dichtheidsverschillen ontstaan zijn uit kwantumfluctuaties, die het gevolg waren van Heisenberg’s onzekerheidsprincipe en die versterkt werden door de korte inflatieperiode, die optrad tussen 10-³³ en 10-³² seconde na de oerknal.

De CMB, waargenomen door Planck. (Credit: ESA/Planck)

Zo’n 380.000 jaar na de oerknal zien we de dichtheidsverschillen uit de hete oerknal terug als temperatuursverschillen in de kosmische microgolf-achtergrondstraling (Engels: CMB – zie foto hierboven). De CMB is afgelopen decennia uitgebreid bestudeerd door o.a. telescopen in de ruimte, eerst door COBE, toen door WMAP en tenslotte door Planck. Vooral die laatste heeft zeer veel informatie opgeleverd over de CMB. We weten nu dat deze een gemiddelde temperatuur heeft van 2,72548 ± 0,00057 K. De straling is zeer isotroop: de gemiddelde variatie in de temperatuur bedraagt slechts 18 μK, weergegeven in de foto hierboven als de rode (iets warmer dan gemiddeld) en blauwe (iets kouder dan gemiddeld) gebieden. Voor dat moment 380.000 jaar na de oerknal bestond het heelal uit een heet plasma (T ∼ 3000K) van elektronen en baryonen (protonen en neutronen). Door de hoge temperatuur konden die niet samenklonteren tot neutrale atomen, dus bleven de baryonen geïoniseerd en middels de zogeheten Thomson verstrooiing gekoppeld aan de fotonen. Dat zorgde er op haar beurt voor dat er in dat hete plasma twee tegengestelde effecten optraden: de druk van de straling, die naar buiten werkte en de zwaartekracht, die naar binnen werkte. Dat leverde fluctuaties op, die in de vorm van geluidsgolven met de helft van de lichtsnelheid door het plasma denderden. Vanuit de lokale gebieden waar de dichtheid gemiddeld iets hoger was gingen die geluidsgolven naar buiten en in de golven was ook weer een overdichtheid van baryonen en fotonen.

Credit; CalTech.

Toen vervolgens 380.000 jaar na de oerknal de temperatuur daalde tot onder T ∼ 3000K konden de baryonen en elektronen recombineren tot neutrale atomen en ontkoppelden de baryonen en fotonen (zie hierboven). De stralingsdruk verdween daarmee en je had alleen nog maar de zwaartekracht. Omdat de donkere materie niet reageert op fotonen was deze niet in de geluidsgolven meegegaan, maar achtergebleven in de oorspronkelijke centra waar vandaan de geluidsgolven waren vertrokken. Na de recombinatie kreeg je daarom twee overdichtheden: die van de donkere materie in het centrum en in een schil daaromheen de baryonen die met de geluidsgolven waren meegereisd – die schillen worden nu de baryonische accoustische oscillaties (BAO’s) genoemd. Hieronder een voorstelling daarvan

Voorstelling van grootschalige baryonische accoustische oscillaties in het vroege heelal. Credit: LBNL

Zoals je ziet is er niet één zo’n schil, maar zijn er vele schillen die elkaar overlappen. Dáár zijn later de grootschalige structuren van het heelal uit voortgekomen, de clusters en superclusters van sterrenstelsels. Bron: Starts with a bang.

Share

Comments

  1. Tja, het verhaal van Siegel staat – als je het goed leest – wel vol men aannames en is gebaseerd op het nature artikel van Latif et al “Turbulent cold flows gave birth to the first quasars”, zie: https://www.nature.com/articles/s41586-022-04813-y.epdf? of beter, de link in het artikel van Siegel met cookies. Het zijn dus geen feiten maar is slechts een aannemelijke hypothese gebaseerd op gratis PC simulatie software , zie https://enzo-project.org/

Speak Your Mind

*