Van de oerknal tot het heden: de zwaartekracht is de reden waarom het heelal zo uniform is

De temporele evolutie van het universum, van de oerknal tot het heden, wordt beschreven door Einsteins veldvergelijkingen van de algemene relativiteitstheorie. Er zijn echter nog een aantal open vragen over kosmologische dynamica, waarvan de oorsprong ligt in vermeende discrepanties tussen theorie en waarneming. Een van deze open vragen is: waarom is het universum in zijn huidige staat op grote schaal zo homogeen?

Van de oerknal tot nu

Aangenomen wordt dat het heelal zich kort na de oerknal in een extreme toestand bevond, met name gekenmerkt door sterke fluctuaties in de kromming van de ruimtetijd. Tijdens het lange expansieproces evolueerde het universum vervolgens naar zijn huidige staat, die homogeen en isotroop is op grote schaal – in eenvoudige bewoordingen: de kosmos ziet er overal hetzelfde uit. Dit wordt onder meer afgeleid uit de meting van de zogenaamde achtergrondstraling, die in alle waarnemingsrichtingen zeer uniform lijkt. Deze homogeniteit is verrassend omdat zelfs twee gebieden van het universum die causaal van elkaar waren ontkoppeld – dat wil zeggen dat ze geen informatie konden uitwisselen – nog steeds identieke waarden van achtergrondstraling vertonen.

Alternatieve theorieën

Om deze vermeende tegenstrijdigheid op te lossen, werd de zogenaamde inflatie-theorie ontwikkeld, die een fase van extreem snelle expansie postuleert onmiddellijk na de oerknal, die op zijn beurt de homogeniteit in de achtergrondstraling kan verklaren.

Hoe deze fase kan worden verklaard in de context van Einsteins theorie, vereist echter een aantal aanpassingen van de theorie, die kunstmatig lijken en niet direct kunnen worden geverifieerd.

Nieuwe bevindingen: homogenisatie door gravitatie

Tot nu toe was het niet duidelijk of de homogenisering van het heelal volledig verklaard kan worden door Einsteins vergelijkingen. De reden hiervoor is de complexiteit van de vergelijkingen en de daarmee samenhangende moeilijkheid om hun oplossingen – modellen voor het universum – te analyseren en hun gedrag te voorspellen.

In het concrete probleem moet de tijdsevolutie van de oorspronkelijk sterke afwijkingen van de homogene toestand als kosmologische zwaartekrachtgolven wiskundig worden geanalyseerd. Er moet worden aangetoond dat ze in de loop van de expansie vervallen, waardoor het universum zijn homogene structuur kan krijgen.

Dergelijke analyses zijn gebaseerd op moderne wiskundige methoden op het gebied van geometrische analyse. Tot nu toe konden deze methoden dergelijke resultaten alleen bereiken bij kleine afwijkingen van de homogene ruimte-tijd geometrie. David Fajman van de Universiteit van Wenen is er nu voor het eerst in geslaagd om deze methoden over te brengen naar het geval van willekeurig grote afwijkingen.

Referentie: “Future Attractors in 2 + 1 Dimensional Gravity” door David Fajman, 16 september 2020, Physical Review Letters .

De resultaten die in het gerenommeerde tijdschrift PRL zijn gepubliceerd, laten zien dat homogenisatie in de onderzochte klasse van modellen al volledig wordt verklaard door de theorie van Einstein en geen aanvullende aanpassingen vereist. Als deze bevinding kan worden overgebracht naar meer algemene modellen, betekent dit dat het niet per se een mechanisme zoals inflatie nodig heeft om de toestand van ons huidige universum te verklaren, maar dat Einsteins theorie eindelijk weer zou kunnen zegevieren.

Gepubliceerd op:

SciTechDaily.com

Geef een reactie