Big Bounce-simulaties Daagt de oerknal uit.

Uit gedetailleerde computersimulaties is gebleken dat een kosmische contractie kenmerken van het heelal kan genereren die we vandaag waarnemen.

Het standaardverhaal over de geboorte van de kosmos gaat ongeveer als volgt: bijna 14 miljard jaar geleden ontstond er een enorme hoeveelheid energie als uit het niets.

In een kort moment van snelle expansie blaasde die energie-uitbarsting de kosmos op als een ballon. De expansie maakte elke grootschalige kromming recht, wat leidde tot een geometrie die we nu als plat beschrijven. Materie ook grondig met elkaar vermengd, zodat de kosmos nu grotendeels (hoewel niet perfect) zonder eigenschappen lijkt. Hier en daar hebben klompjes deeltjes sterrenstelsels en sterren gecreëerd, maar dit zijn slechts minuscule stipjes op een verder ongeschonden kosmisch canvas.

In een cyclisch universum worden periodes van expansie afgewisseld met periodes van contractie. Het universum heeft geen begin en geen einde.

Die theorie, die handboeken inflatie noemen, komt overeen met alle waarnemingen tot nu toe en heeft de voorkeur van de meeste kosmologen. Maar het heeft conceptuele implicaties die sommigen verontrustend vinden. In de meeste regio’s van de ruimtetijd zou de snelle expansie nooit stoppen. Dientengevolge kan inflatie niet anders dan een multiversum voortbrengen – een technicolour bestaan met een oneindige verscheidenheid aan pocketuniversa, waarvan we er één thuis noemen. Voor critici voorspelt inflatie alles, wat betekent dat ze uiteindelijk niets voorspelt. “Inflatie werkt niet zoals het zou moeten werken”, zegt Paul Steinhardt, een architect van inflatie die een van de meest prominente critici is geworden.

In de afgelopen jaren hebben Steinhardt en anderen een ander verhaal ontwikkeld over hoe ons universum is ontstaan. Ze hebben het idee van een cyclisch universum nieuw leven ingeblazen: een universum dat periodiek groeit en krimpt. Ze hopen het universum dat we zien te repliceren – plat en soepel – zonder de bagage die met een knal gepaard gaat.

Daartoe werkten Steinhardt en zijn medewerkers onlangs samen met onderzoekers die gespecialiseerd zijn in computationele zwaartekrachtmodellen. Ze analyseerden hoe een instortend universum zijn eigen structuur zou veranderen, en uiteindelijk ontdekten ze dat contractie de inflatie in zijn eigen spel kan verslaan. Hoe bizar en verwrongen het universum er ook uitzag voordat het samentrok, de ineenstorting zou efficiënt een breed scala aan oorspronkelijke rimpels uitwissen.

Het is erg belangrijk, wat ze beweren te hebben gedaan ‘, zegt Leonardo Senatore, een kosmoloog aan de Stanford University die de inflatie op een vergelijkbare manier heeft geanalyseerd. Er zijn aspecten van het werk die hij nog niet heeft kunnen onderzoeken, zei hij, maar op het eerste gezicht lijkt het erop dat ze het hebben gedaan.

Knijpen in de weergave

In de afgelopen anderhalf jaar is een nieuwe kijk op het cyclische of ‘ekpyrotische’ universum ontstaan door een samenwerking tussen Steinhardt, Anna Ijjas, een kosmoloog bij het Max Planck Institute for Gravitational Physics in Duitsland, en anderen – een die bereikt vernieuwing zonder in te storten.

Als het gaat om het visualiseren van expansie en contractie, richten mensen zich vaak op een ballonachtig universum waarvan de verandering in grootte wordt beschreven door een ‘schaalfactor’. Maar een tweede maat – de Hubble-straal, wat de grootste afstand is die we kunnen zien – krijgt een korte weg. De vergelijkingen van algemene relativiteit laten ze onafhankelijk evolueren, en, cruciaal, je kunt het universum plat maken door een van beide te veranderen.

Stel je een mier voor op een ballon. Inflatie is als het opblazen van de ballon. Het legt de last van het gladmaken en afvlakken voornamelijk op de opzwellende kosmos. In het cyclische universum vindt de afvlakking echter plaats tijdens een periode van contractie. Tijdens dit tijdperk loopt de ballon bescheiden leeg, maar het echte werk wordt gedaan door een drastisch krimpende horizon. Het is alsof de mier alles door een steeds krachtiger vergrootglas bekijkt. De afstand die hij kan zien, wordt kleiner en daardoor wordt zijn wereld steeds minder karakteristiek.

Lucy Reading-Ikkanda/Quanta Magazine

Steinhardt en zijn bedrijf stellen zich een universum voor dat zich misschien wel een biljoen jaar uitbreidt, aangedreven door de energie van een alomtegenwoordig (en hypothetisch) veld, wiens gedrag we momenteel toeschrijven aan donkere energie. Wanneer dit energieveld uiteindelijk schaars wordt, begint de kosmos zachtjes leeg te lopen. Over miljarden jaren brengt een contracterende schaalfactor alles een beetje dichterbij, maar niet helemaal tot op zekere hoogte. De dramatische verandering komt van de Hubble-straal, die naar binnen stroomt en uiteindelijk microscopisch wordt. De samentrekking van het universum laadt het energieveld op, dat de kosmos opwarmt en de atomen verdampt. Er volgt een sprong en de cyclus begint opnieuw.

In het bounce-model zorgt de microscopische Hubble-straal voor gladheid en vlakheid. En terwijl inflatie veel aanvankelijke onvolkomenheden opblaast tot gigantische percelen van multiversum onroerend goed, worden ze door langzame contractie in wezen uit het bestaan verwijderd. We blijven zitten met een kosmos die geen begin, geen einde, geen singulariteit bij de oerknal en geen multiversum heeft.

Van elke kosmos tot de onze

Een uitdaging voor zowel inflatie- als bounce-kosmologieën is om te laten zien dat hun respectievelijke energievelden het juiste universum creëren, ongeacht hoe ze beginnen. ‘Onze filosofie is dat er geen filosofie mag zijn’, zei Ijjas. “Je weet dat het werkt als je niet hoeft te vragen onder welke voorwaarde het werkt.”

Zij en Steinhardt bekritiseren de inflatie omdat ze haar werk alleen in speciale gevallen doet, zoals wanneer het energieveld zich vormt zonder opvallende kenmerken en met weinig beweging. Theoretici hebben deze situaties het meest grondig onderzocht, deels omdat ze de enige voorbeelden zijn die met bordwiskunde te volgen zijn. In recente computersimulaties, die Ijjas en Steinhardt beschrijven in een paar preprints die in juni online zijn geplaatst, heeft het team hun model van langzame samentrekking onder druk gezet met een reeks baby-universums die te wild waren voor pen- en papieranalyse.

Door de code aan te passen ontwikkeld door Frans Pretorius, een theoretisch natuurkundige aan de Princeton University die gespecialiseerd is in computationele modellen van algemene relativiteit, verkende de samenwerking verwrongen en klonterige velden, velden die in de verkeerde richting bewegen, zelfs velden die zijn geboren met helften die in tegengestelde richting racen. In bijna alle gevallen veroorzaakte samentrekking snel een universum dat net zo saai was als het onze.

‘Je laat het gaan en – bam! In een paar kosmische momenten van langzame samentrekking ziet het er zijdezacht uit, ‘zei Steinhardt.

Katy Clough, een kosmoloog aan de Universiteit van Oxford die ook gespecialiseerd is in numerieke oplossingen van algemene relativiteitstheorie, noemde de nieuwe simulaties ‘zeer uitgebreid’. Maar ze merkte ook op dat computationele vooruitgang dit soort analyse pas recentelijk mogelijk heeft gemaakt, dus het volledige scala aan voorwaarden dat inflatie aankan, blijft onbekend.

“Het is half overdekt, maar het heeft veel meer werk nodig”, zei ze.

Hoewel de interesse in het model van Ijjas en Steinhardt varieert, zijn de meeste kosmologen het erover eens dat inflatie het te verslaan paradigma blijft. “[Langzame contractie] is op dit moment geen gelijke kans”, zegt Gregory Gabadadze, een kosmoloog aan de New York University.

De samenwerking zal vervolgens de stuitering zelf uitwerken – een complexere fase die nieuwe interacties vereist om alles weer uit elkaar te duwen. IJjas heeft al één bounce-theorie die de algemene relativiteit verbetert met een nieuwe interactie tussen materie en ruimte-tijd, en ze vermoedt dat er ook andere mechanismen bestaan. Ze is van plan haar model binnenkort op de computer te zetten om het gedrag ervan in detail te begrijpen.

De groep hoopt dat ze, nadat ze de stadia van samentrekking en uitzetting aan elkaar hebben gelijmd, unieke kenmerken van een stuiterend universum zullen identificeren die astronomen zouden kunnen zien.

De samenwerking heeft niet elk detail van een cyclische kosmos zonder knal en crunch uitgewerkt, laat staan dat we in één leven. Maar Steinhardt voelt zich nu optimistisch dat het model binnenkort een levensvatbaar alternatief zal bieden voor het multiversum. ‘De wegblokkades waar ik me het meest zorgen over maakte, zijn overtroffen’, zei hij. “Ik word ’s nachts niet meer bijgehouden.”

Noot van de redactie: een deel van dit onderzoek werd gedeeltelijk gefinancierd door de Simons Foundation, die ook dit redactioneel onafhankelijke tijdschrift financiert. Financieringsbeslissingen van Simons Foundation spelen geen rol in onze dekking. Meer details zijn hier beschikbaar.

RELATED:


  1. Physicists Debate Hawking’s Idea That the Universe Had No Beginning
  2. How the Universe Got Its Bounce Back
  3. A Fight for the Soul of Science

Een artikel in het Engels op Quanta Magazine:

Charlie Wood, contributing editor

— Lees op Quanta Magazine


Geef een reactie