Oerknal of Big Bang is de kosmologische theorie die beschrijft hoe het heelal zo'n 15 miljard jaar geleden met een enorme explosie is ontstaan. Onderzoek met de Wilkinson Microwave Anisotropy Probe heeft de leeftijd met een nauwkeurigheid van 1 procent op 13,7 miljard jaar weten te bepalen. Voordat de theorie van de Big Bang werd geformuleerd ging men uit van een statisch heelal: een heelal dat er altijd was en altijd zal zijn. Uit de zwaartekrachtwet van Newton volgt echter dat zo'n heelal zou instorten. Newton onderkende dat probleem, maar poogde dat in een briefwisseling met Richard Bentley te weerleggen door te stellen dat als de materie gelijkmatig in een oneindige ruimte verdeeld was er geen middelpunt zou zijn, waar het naar toe zou vallen. Voorgeschiedenis
Einstein ging ook uit van een statisch heelal en postuleerde de kosmologische constante om die ineenstorting tegen te gaan. Het heelal van Einstein was statisch. De Nederlandse astronoom Willem de Sitter kwam met een ander model van het heelal en voorspelde in 1917 aan de hand daarvan een roodverschuiving die evenredig was met de afstand. Het theoretische model van De Sitter bevatte geen materie maar dijde wel uit. Het idee van Sitter is tegenwoordig weer actueel in de inflatietheorie van de oerknal.
Voortbordurend op het heelal van De Sitter, publiceert de Belgische pater jezuļet George Lemaītre in 1926 de theorie dat het heelal met een geweldige explosie uit een oer-atoom moet zijn ontstaan. Lemaītre kwam ook tot een schatting van het moment waarop het heelal zou ontstaan: ongeveer 15 miljard jaar geleden.
Aan het begin van de 20e eeuw, begon men met het meten van de spectra van sterrenstelsels. Hierbij merkte men dat:
- slechts enkele dichtbijgelegen stelsels, zoals de Andromedanevel, een blauwverschuiving hadden.
- alle andere sterrenstelsels hadden een roodverschuiving
- de roodverschuiving bleek toe te nemen naarmate het stelsel verder weg stond.
Uit de roodverschuiving concludeerde men dat het heelal uitdijt. Sterrenstelsels die verder van ons weg staan hebben een grotere snelheid ten opzichte van ons. Dit zijn echter relatieve snelheden, want vanaf zo'n ver sterrenstelsel gezien, verwijderen wij ons met grote snelheid. Dit gegeven betekent dat de sterrenstelsels vroeger dichter bij elkaar hebben gestaan en in een heel ver verleden zelfs in een punt. De conclusie dat het heelal uitdijt werd door Edwin Hubble beschreven in een artikel dat in 1929 werd gepubliceerd. Met de Wet van Hubble kan de uitdijingssnelheid van melkwegstelsels berekend worden.
Dit was aanleiding voor de hypothese dat er een oerknal is geweest. In het verre verleden hebben de sterrenstelsels dus niet alleen dichter bij elkaar gelegen, maar is de uitdijing begonnen met een oerknal. Aan het begin van de oerknal was zelfs het hele heelal geconcentreerd in een enkel punt, met oneindige dichtheid. Dit punt noemt men een singulariteit.
Hete oerknal
In 1948 werd de hete oerknaltheorie door George Gamow samen Ralph Alpher en Robert Herman geformuleerd. De theorie beschrijft hoe het heelal is ontstaan uit een heet puntvormig begin (singulariteit).
De theorie beschrijft verder nauwkeurig welke elementen na 1 seconde, toen het heelal nog een temperatuur had van 10 miljard Kelvin, werden gevormd en in welke verhoudingen. De elementen die tijdens de oerknal werden gevormd zijn waterstof, helium en tritium, nauwkeuriger gezegd de isotopen waterstof, deuterium, tritium, helium-3, helium-4 en litium-7. De theorie voorspelde dat de gewichtsverhouding helium en waterstof 1:3 zou zijn, heel dicht bij de huidige waargenomen samenstelling.
Alpher en Herman voorspelden verder dat de straling van de oerknal nu nog aanwezig zou moeten zijn en een temperatuur zou moeten hebben van plm. 3K. Deze kosmische achtergrondstraling werd door Arno Allan Penzias en Robert Woodrow Wilson in 1964 ontdekt. Voor hun werk aan de achtergrondstraling ontvingen zij in 1978 de Nobelprijs voor de Natuurkunde.
Voor zeer ver verwijderde opjecten, zoals quasars, wordt de roodverschuiving wel als afstandsmaat opgegeven.
Argumenten
Er zijn drie belangrijke argumenten waarom het heelal zou uitdijen: - Waarnemingen aan het heelal duiden erop dat het heelal uitdijt. Dit kan alleen verklaard worden als sterrenstelsels oorspronkelijk in een punt zijn ontstaan. De belangrijkste aanwijzing hiervoor is dat hoe verder sterrenstelsels van ons af staan hoe sneller ze zich van ons verwijderen. De roodverschuiving is de belangrijkste indicatie hiervan.
- De kosmische achtergrondstraling die in 1992 door de COBE (Cosmic Background Explorer) satelliet -en in 2003 nog nauwkeuriger door de WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) - is waargenomen lijkt van alle kanten te komen. Alleen de Big Bang theorie kan deze straling verklaren.
- De Big Bang theorie voorspelt nauwkeurig de verhouding van lichte elementen als waterstof en helium die tijdens de oerknal zijn ontstaan
Tegenwoordig wordt algemeen aangenomen dat in het allereerste begin het heelal een korte periode van extreme expansie doormaakte. Deze periode wordt ook wel De Sitter inflatie genoemd. De theorie die dit beschrijft heet de inflatietheorie en werd in 1979 ontwikkeld door Alan Guth en Andrei Linde. De oerknal is een theorie over het ontstaan van het heelal. Voor de toekomst ervan zijn er taal mogelijkheden:
- Het heelal zal eeuwig uitdijen.
- De uitdijing van het heelal zal afgeremd worden door de zwaartekracht, en daardoor na verloop van tijd instorten, exact zoals bij de oerknal, maar dan achteruit.
Van Oerknal tot heden
| Planck-tijd 10-43 seconden na de Oerknal | Er kan niet gesproken worden over tijd of over ruimte of over de temperatuur. De fysica op dit niveau is onbekend. |
| Vlak hierna was een periode van inflatie. De ruimte nam toe met een factor 1050 in een heel korte periode. Theoretisch is het beschreven door Allan Guth. Inflatie kan heel goed een aantal dingen verklaren: |
| tussen 10-12 en 10-10 seconde. | In deze periode is het eigenlijke begin. Het universum bevindt zich in een kleine hete dichte quantumtoestand. Uit de vacuumenergie ontstaan fotonen, gluonen en andere elementaire deeltjes. Het universum bestaat nagenoeg geheel uit stralings energie. |
| 10-11 seconden | Het heelal is koud genoeg voor het ontstaan van deeltjes (quarks) en anti-deeltjes (anti-quarks), die elkaar annihileren. De verhouding deeltjes:anti-deeltjes was volgens Steven Weinberg 300.000:299.999. Dit verklaart waarom er nu geen antimaterie meer is. Baryongetal van het heelal: 1078 |
| 10-10 seconden | De temperatuurdaling maakt het nu mogelijk dat van bosonen (W-, W+ en Z) ontstaan. Die zijn verantwoordelijk voor het overbrengen van de zwakke wisselwerking. Bosonen zijn zware deeltjes, die de zwakke wisselwerking maar over een zeer kleine afstand kunnen overbrengen. Het ontstaan van de zwakke wisselwerking noemt men de spontane symmetriebreking. |
| 10-4 seconden. | Quarks en gluonen vormen grotere deeltjes: mesonen (quark+antiquark+gluon). en baryonen (protonen en neutronen) ontstaan. Volgens de Quantum Chromo Dynamica (QCD) kunnen quarks en gluonen los van elkaar bestaan, mits de temperatuur hoog genoeg is. |
| 1 seconde | De verhouding protonen en neutronen wordt stabiel: 7 staat tot 1. Daarvoor konden protonen en neutronen in elkaar overgaan. Deze verhouding bepaalt ook de verhouding waterstof en helium. |
| 100 seconden. | Nucleosynthese. Waterstof en helium worden gevormd |
| 10.000 jaar. | Materie begint te domineren over de straling. Fotonen gaan zwart lichaam straling afgeven. Die wordt tegenwoordig waargenomen als kosmische achtergrondstraling. |
| 379.000 jaar. | Nuclei en elektronen beginnen waterstof, helium en litium te vormen. Het heelal wordt doorzichtig |
| 200 miljoen jaar. | De eerste sterren ontstaan uit waterstofgas. |
| 200 miljoen-13,7 miljard jaar. | Zwaardere elementen worden in de sterren gevormd. Supernova explosies maken het mogelijk dat ons zonnestelsel wordt gevormd, waar zwaardere elementen aanwezig zijn. |
| Baryongetal nog steeds 1078 |
Religieuze bezwaren
Creationisten die op bijbelse gronden uitgaan van een kosmos van slechts luttele duizenden jaren oud hebben bezwaar aangetekend tegen de oerknaltheorie als volgend uit de moderne wetenschappelijke interpretatie van de roodverschuiving. Er is daarom een alternatieve interpretatie geformuleerd die uitgaat van een bijbelse leeftijd van het heelal, de Kwantum_roodverschuiving, die door de meesten (inclusief creationisten) echter als pseudowetenschap wordt beschouwd.
